Villamosenergia – minőség – Alkalmazási segédlet
Feszültségzavarok Villogás (Flicker)
Feszültségzavarok
���������������� ����������������
5.1.4
Feszültségzavarok Villogás (Flicker) Zbigniew Hanzelka & Andrzej Bień AGH University of Science and Technology 2006. április Magyar Rézpiaci Központ Hungarian Copper Promotion Centre (HCPC) A Magyar Rézpiaci Központ a réztermelők és feldolgozók által támogatott non-profit szervezet, amelynek célja a réz és a rézötvözetek használatának, valamint helyes és hatékony alkalmazásának elősegítése. A szolgáltatások, beleértve a műszaki tanácsadást és információs adatközlést, mindazok rendelkezésére állnak, akik bármilyen vonatkozásban érdekeltek a réz felhasználásában. Az egyesülés összeköttetést teremt a kutatás és a felhasználó ipar között, és szoros kapcsolatot tart fenn a világ többi – a rézpiac fejlesztésén tevékenykedő- szervezetével.
Európai Réz Intézet European Copper Institute (ECI) Az Európai Réz Intézet az ICA (International Copper Association) és az IWCC (International Wrought Copper Council) támogató tagjai által létrehozott szervezet. Tagjain keresztül az ECI a világ legnagyobb réztermelői és Európa vezető réztermék gyártói nevében dolgozik a réztermékek európai piacfejlesztésén. Az 1996 januárjában megalakult ECI-t tíz Rézpiac Fejlesztési Egyesület (CDA-k) hálózata támogatja a Benelux államokban, Franciaországban, Németországban, Görögországban, Magyarországon, Olaszországban, Lengyelországban, Skandináviában, Spanyolországban és az Egyesült Királyságban. Ezen tevékenység folytatása azon erőfeszítéseknek, amelyeket az 1959-ben alakult Copper Products Development Association (CPDA) és az 1961-ben alakult International Copper Research Association (INCRA) kezdeményezett.
Figyelmeztetés A Magyar Rézpiaci Központ és az Európai Réz Intézet elhárítja a felelősséget bármilyen közvetlen, közvetett, okozati, vagy véletlenszerű meghibásodásért, amely az ebben a kiadványban közölt információk felhasználásából, vagy az információk illetve a közölt adatok fel nem használhatóságából eredhetnek. Szerzői jog©: Copper Development Association (CDA) Magyar fordítás: Magyar Rézpiaci Központ A kiadvány anyagának másolása, terjesztése engedélyezett, feltéve, hogy az teljes terjedelemben, a forrás megjelölésével történik.
���������������� ����������������
Magyar Rézpiaci Központ H-1053 Budapest, Képíró u. 9. Magyarország Tel: (+36 1) 266 48 10 Fax: (+36 1) 266 48 04 E-mail:
[email protected] Web: www.rezinfo.hu
Feszültségzavarok Villogás (Flicker) Bevezetés A villogás az időben ingadozó fényességű vagy színképi eloszlású fényinger által létrehozott látásérzet-ingadozás hatása. Általában ezt a kifejezést az izzószálas lámpák fényerősségének a tápfeszültség ingadozása következtében kialakuló periodikus változására használják. A villogás a feszültségingadozás következménye, amelyet a villamosenergia termelése, átvitele vagy elosztása közben fellépő zavarok idézhetnek elő, de a legjellemzőbb ok a nagy változó terhelések alkalmazása, amelyeknek gyorsan ingadozik a hatásos és meddő teljesítményigényük. A következő szakaszokban megvizsgáljuk a feszültségingadozások természetét, okait, hatásait, mérési módszereit, a csökkentésük lehetőségeit és a vonatkozó szabványokat.
A feszültségingadozások okai Az 1. ábrán a feszültség effektív értékének különböző típusú változásai láthatók a zavar időtartamának függvényében. Ez a cikk a feszültség vonalkázott területen belüli változásaival foglalkozik. a feszültség effektív értéke a névleges érték százalékában
feszültség
rövid idejű feszültségletörések
tartós feszültségkimaradások
1s
1perc
1h
a zavar időtartama
1. ábra: A feszültségváltozások osztályozása
Minden egyes tápvonal esetén a terhelés felőli végen és a forrás felőli végen a feszültség különböző értékű lesz. Ezt a 2a. ábrán látható egyfázisú helyettesítő áramkörön lehet szemléltetni. Az alábbi (1) egyenlet mutatja, hogy a 2b. ábrán meghatározott ∆U feszültségkülönbséget hogyan lehet a fazorábrából egyszerű geometriai szabályok alkalmazásával megkapni. (1) ahol: E
= Thevenin feszültség
U0
= terhelés kapocsfeszültsége
I0
= áram
ZS, XS, RS = rendre a vonal helyettesítő impedanciája, reaktanciája és ellenállása P, Q
= a terhelés hatásos és meddő teljesítménye
SZW
= rövidzárási teljesítmény a terhelés csatlakozási pontján (SSC).
3
Villogás (Flicker) Feltételezve, hogy a vonal helyettesítő ellenállása a reaktanciájához képest elhanyagolhatóan kicsi (XS > 10 RS) – ami a gyakorlatban a közép- és nagyfeszültségű rendszerekben teljesül –, a vonal terhelés felőli végén a feszültségváltozás relatív értékét a következő összefüggéssel lehet meghatározni:
a)
(1a)
A ∆U feszültségváltozás megjelenési formája az azt előidéző októl függően lehet hoszszú ideig tartó állandó nagyságú feszültségcsökkenés, lassú vagy gyors feszültségváltozás vagy feszültségingadozás. A feszültségingadozás a feszültség effektív értékének egymást követő sorozatos változása vagy a feszültség hullámalak burkológörbéjének periodikus változása (ld. a 3. ábrát).
b)
A feszültségingadozásra jellemző mennyiségek a következők: •
a feszültségváltozás amplitúdója (a feszültség effektív- vagy csúcsértékének a zavar során fellépő maximuma és minimuma közötti különbség),
2. ábra: A táphálózat egyfázisú helyettesítő kapcsolása (a) és az ohmos-induktív terhelés fazorábrája E ≥ U0 esetén (b)
•
meghatározott időegység alatt bekövetkező feszültségváltozások száma és
•
a zavarral kapcsolatos feszültségváltozások által előidézett jelenségek (mint pl. a villogás).
A feszültségingadozások forrásai A fenti (1a) összefüggésből látszik, hogy a feszültségváltozások elsődleges oka az ingadozó terhelések meddőteljesítményének időbeli változása. Ilyen terhelések például az ívkemencék (4. ábra), hengerművi hajtások, csévélők, fűrésztelepek, hegesztő technológiák stb. – általában olyan terhelések, amelyeknek a csatlakozási pont rövidzárási teljesítményéhez viszonyítva nagyok a terhelésváltozásai. Nagyon fontos azt is hangsúlyozni, hogy az olyan kis teljesítményű terhelések, mint pl. az indukciós motorok indítása, hegesztő berendezések (5. ábra), vízmelegítők, teljesítmény-szabályozók, villamos fűrészek és kalapácsok, szivattyúk és légkompresszorok, daruk, felvonók stb. szintén okozhatnak villogást. A mögöttes impedancia induktív összetevőjének megváltoztatása, mint pl. kondenzátortelepek bekapcsolása vagy transzformátorok terhelés alatti fokozatváltása is okozhat villogást. Az energiatermelésben bekövetkező változásoknak, például a szélerőműveknek is lehet ilyen hatása. Bizonyos esetekben a kisfrekvenciás közbenső harmonikusok is okozhatnak feszültségingadozásokat.
A feszültségingadozások hatásai A villamos energiarendszerekben jelentkező feszültségingadozások számos káros műszaki következménnyel járhatnak, amelyek akár a termelési folyamatok leállásához is vezethetnek, ezzel jelentős anyagi veszteséget okozva. Azonban a villogás hatásai közül a fiziológiai a legjelentősebb, mivel ez a munkahelyi környezet ergonómiáját befolyásolja, a dolgozók fáradságát és a koncentrációképesség csökkenését okozva.
4
Feszültség effektív értéke (V)
Villogás (Flicker)
9h
Idő (óra)
3. ábra: Példa a feszültség effektív értékének ingadozására Ezen kívül mágneskapcsolók és relék szabálytalan működése is okozhat súlyos zavarokat a termelési folyamatokban. Az alábbiakban néhány példával szemléltetjük a feszültségingadozás káros hatásait.
Meddő teljesítmény
9.4 MVAr 1s
Feszültség
5%
Idő (s)
4. ábra: A meddőteljesítmény változásai és az ennek hatására kialakuló feszültségingadozás egy ívkemence csatlakozási pontjában
Villamos gépek Az indukciós motor kapcsain megjelenő feszültségingadozás a nyomaték és a szlip megváltozásait okozza, amely hatással van a termelési folyamatra. A legkedvezőtlenebb esetben ez túlzott mértékű vibrációhoz vezethet, amely csökkenti a mechanikai szilárdságot és lerövidíti a motor élettartamát. A szinkron motorok és generátorok kapcsain megjelenő feszültségingadozások a rotorok lengéséhez és idő előtti elhasználódásához vezetnek; okozhatnak továbbá nyomaték- és teljesítményváltozásokat, valamint a veszteségek megnövekedését.
Statikus egyenirányítók A feszültségingadozásnak az egyenáramú oldali paraméterek szabályozásával rendelkező fázisvezérelt egyenirányítókra gyakorolt szokásos hatása a teljesítménytényező csökkenése és a nemkarakterisztikus harmonikusok és közbenső harmonikusok megjelenése. Inverteres üzemmódban villamos fékezéskor ez kommutációs hibát okozhat, és a rendszer elemeinek meghibásodásához vezethet.
Elektrolízis tápegységek A feszültségingadozások az elektrolízis villamos berendezései élettartamának és hatékonyságának csökkenését okozhatja. Ezen kívül a nagyáramú tápellátás elemeinek nagymértékű igénybevétele a karbantartási és/vagy javítási költségek növekedését eredményezheti. 5
Villogás (Flicker)
Vrms (V)
120 A
Idő (s)
5. ábra: A villamosenergia-rendszerben hegesztés következtében fellépő feszültségingadozás
Villamos hőfejlesztő berendezések Minden fajta villamos hőfejlesztő berendezés üzemi hatásfoka jelentős mértékű feszültségingadozás esetén csökken, pl. az ívkemencében lassabban olvad meg az anyag.
Fényforrások A tápfeszültség nagyságának bármilyen megváltozása a fényforrások fényteljesítményének változását okozza. Ezt a jelenséget nevezzük villogásnak, amely az időben ingadozó fénysűrűség vagy színképi eloszlás által előidézett változó szubjektív fényérzet. Az izzószálas lámpák különösen érzékenyek a tápfeszültség változásaira, mivel a Φ fényáramuk és a tápfeszültségük között a Φ ~ Uy összefüggés érvényes, ahol az y kitevő jellemző értéke 3,1 és 3,7 között lehet. (Gázkisülési lámpák esetén a kitevő értéke jellemzően kisebb [kb. 1,8]). A 6. ábra egy 60 W-os, 230 V-os izzólámpa fényáramának változását mutatja a tápfeszültség ingadozásának hatására. A villogás jelentősen rontja a látási viszonyokat, és általános rossz közérzetet valamint fáradságot okoz. A jelenség fiziológiája bonyolult. Általánosságban feltételezhető, hogy a villogás a látási folyamatot és az emberi agy reakcióit befolyásolja. A villogó fényforrások kellemetlen érzést és a munka minőségének csökkenését eredményezhetik – bizonyos esetekben üzemi baleseteket is előidézve.
A villogás mérése A feszültségingadozás mérésére azért van szükség, hogy meghatározhassuk a tényleges kibocsátási szinteket, amelyeket az elektromágneses összeférhetőségi (EMC) szabványokban megadott határértékekkel kell összehasonlítani. A villogásmérések célja kétféle lehet. Az első a tápfeszültség minőségének meghatározása, azaz a mérési pontban jelentkező villogásmérték összehasonlítása a szabványokban megfogalmazott ajánlásokkal. A második a kibocsátási szintek meghatározása a berendezések fejlesztési fázisában, a piacra történő bevezetésük előtt, azaz tanúsítási célból végzett típusvizsgálatok.
6
Villogás (Flicker) A feszültségingadozásra jellemző tényezők Egészen napjainkig, az energiarendszerekben vagy a terhelések kapcsain fellépő feszültségingadozásokat a feszültség effektív értékének csúcstól-csúcsig történő változásaival kapcsolatos tényezőkkel jellemezték. A feszültségingadozások jellemzésére a feszültségingadozások energiáját és teljesítmény-spektrumát, azaz a feszültségingadozások energiaspektrumát valamint azok időtartamát vették alapul. Jelenleg a feszültségingadozások leírására a PST rövid idejű és a PLT hosszú idejű villogásmértéket használják. Ezek a paraméterek a feszültségingadozásnak a világításra, és annak az emberre gyakorolt hatásaira vonatkoznak.
Fényáram szint
Tápfeszültség
A vizuális észleléssel foglalkozó kutatások több mint negyven évre nyúlnak vissza. Kezdetben kiválasztott emberek reprezentatív csoportjain vizsgálták elsősorban a különböző fényforrások és 6. ábra: Feszültségváltozás hatása az izzólámpa fényáraa feszültségváltozások által előidézett különböző mára hullámalakok hatásait. Így határozták meg az érzékelhetőségi és a villogásmérték görbéket. Ezek a görbék szinuszos vagy négyszögjel alakú feszültségingadozásokra (függőleges / y tengely) vonatkoznak a frekvencia függvényében (vízszintes / x tengely). A görbe feletti terület az észrevehető, elfogadhatatlan mértékű villogást okozó feszültségingadozást jelöli, míg a görbe alatti terület az elfogadható villogásmértéket határozza meg. Az ezekben a kísérletekben részt vevő fiziológusok és pszichológusok a neuro-pszichológiai folyamatok bonyolult matematikai modelljeit fejlesztették ki. De Lange kísérletei kínáltak először lehetőséget az emberi szemnek a fényingerrel szembeni érzékenysége és az analóg villamos jel frekvencia jellemzői közötti hasonlóság alapelvének továbbfejlesztésére. Kelly nem csak az amplitúdó változásainak hatását, hanem a különböző átlagos megvilágításhoz alkalmazkodott szem érzékenységét is figyelembe vette részletes vizsgálatai során. A tématerület fejlődéséhez jelentősen hozzájárult Rashbass, Koenderink és Van Doom munkája [1, 2]. Az ő kutatásuk eredményeként született meg az UIE villogásmérő, amelynek a bemenő jele a fényáram változásokkal szemben a feszültségingadozás. Ehhez a vizuális érzékelés fiziológiai folyamatát kellett a műszerben modellezni, amelyet Rashbass és Koenderink munkája tett lehetővé. Munkájuk során kimutatták, hogy az emberi szem egy 0,5 Hz és 35 Hz közötti sávszűrő karakterisztikájának felel meg, amely a fényárammal szemben 8 – 9 Hz körüli frekvencián a legérzékenyebb. Izzólámpás fényforrások esetén ezen a frekvencián a középérték kb. 0,3 %-ának megfelelő feszültségingadozásokat már érzékelni lehet. A fiziológiás hatások a fényáram változásának amplitúdójától, a frekvenciaspektrumtól és a zavar időtartamától függnek. Az agynak a fényingerekre adott válasza kb. 300 ms-os időállandóval késik, ami azt jelenti, hogy a fényáram lassú változásait képes követni, a gyorsakat azonban „kisimítja”. Például két, egymást 300 ms-on belül követő gyors fényáram változást egyetlen változásnak érzékel. A fényáram gyors változásait követő hosszabb szünet sokkal zavaróbb. A villogás hatása a látótér szélén lényegesen nagyobb, mint azon a területen, amelyre a megfigyelő koncentrál. Az érzékelhető villogást okozó feszültségingadozás nagysága nem függ a lámpa tápfeszültségének fajtájától (váltakozó- vagy egyenfeszültség).
A feszültségingadozás megfigyelőre gyakorolt hatásának meghatározása A fényforrások villogása már a villamos energia elosztórendszerek használatának a kezdetén jelentkezett. Jelentősége azonban a fogyasztók számának és a beépített teljesítmény növekedésével rohamosan nőtt. Azokban az országokban, ahol ez komoly gondot okozott, a villogás jelenségének és hatásainak a megértése és mérése céljából kutatásokat kezdtek végezni. Az első lépések a fényáram változásainak egyszerű megfigyelésére korlátozódtak. Ezt követően fejlesztették ki a fényáram változásai miatt bekövetkező emberi reakciók (fáradság) modelljét, amely lehetővé tette az első, a fényforrások villogásmértékének mérésére alkalmas
7
Villogás (Flicker) műszerek megalkotását. Ezek a műszerek egy normál izzólámpából (60 W, 230 V), egy fényáram érzékelőből és az emberi reakciót szimuláló (műveleti erősítőkből kialakított) analóg modellből álltak. Az 1980-as évek végén már sokkal rendszeresebb és szervezettebb munka folyt a villogásmérték meghatározására, túlnyomórészt a Nemzetközi Elektrotechnikai Egyesülés (International Union for Electrotechnology, UIE) koordinálásában. A rövid megfigyelési időre vonatkozó PST villogásmérték és a hosszú időre vonatkozó PLT villogásmérték mérésére szolgáló műszert szabványosították. Ez egy teljesen elektronikus műszer, amely modellezi mind a wolfram szálas izzó viselkedését, mind az ennek hatására jelentkező emberi reakciót. A műszer működési elvével ezen Alkalmazási Segédlet egy másik fejezete foglalkozik.
A feszültségingadozások csökkentése az energiarendszerekben A feszültségingadozások hatásai elsősorban az energiarendszer jellemzői által befolyásolt amplitúdójuktól, valamint a technológiai folyamatok, azaz a terhelés típusa és üzemmódja által meghatározott előfordulási gyakoriságuktól függ. A villogás mértékének csökkentése érdekében rendszerint a feszültségingadozások amplitúdóját korlátozzák; a technológiai folyamatokba ritkán avatkoznak be. Ilyen módszerekre példák a következők: •
ívkemence – soros fojtótekercs (vagy változtatható telítés) beépítése, az elektródszabályozó rendszer tökéletes működtetése, a betét elkülönített és előzetes melegítése stb; ezek a módszerek jól ismertek a kohómérnökök körében.
•
hegesztő üzemek – az üzem táplálása erre a célra rendelt transzformátorról, az egyfázisú hegesztőkészülékek szimmetrikus elosztása a háromfázisú hálózat egyes fázisai között, az egyfázisú hegesztőgépek és a világítás különböző fázissal való megtáplálása stb.
•
változtatható fordulatszámú hajtások – lágy indítású készülékek alkalmazása.
A fenti 1a összefüggés alapján a feszültségingadozás amplitúdóját kétféle módon lehet csökkenteni: •
a rövidzárási teljesítmény növelése (a terhelés teljesítményére való tekintettel) azon a ponton, ahol a változó terhelés csatlakozik. A gyakorlatban ez a következőket jelent: – a terhelés nagyobb névleges feszültségszinten történő csatlakoztatása – az ilyen típusú terhelések célvezetékkel történő megtáplálása – a változó és az állandó terhelések táplálásának szétválasztása háromtekercsű transzformátor használatával – a változó terheléseket tápláló transzformátor névleges teljesítményének növelése – soros kapacitások beépítése.
•
a meddőteljesítmény változásainak csökkentése az energiarendszerben dinamikus kompenzátorok/stabilizálók beépítésével.
Dinamikus feszültségstabilizátorok A dinamikus feszültségstabilizátorok a feszültségváltozások megszüntetésének vagy csökkentésének műszakilag megoldható módját jelentik. Hatásfokuk alapvetően a névleges teljesítményüktől és reakcióidejüktől függ. Az alapharmonikus frekvencián történő meddőteljesítmény felvétellel feszültségesést idéznek elő a hálózati impedancián. Attól függően, hogy a meddőteljesítmény induktív vagy kapacitív, a kommunális csatlakozási ponton (PCC) a feszültség effektív értéke növekszik vagy csökken. A 7. ábrán a különböző megoldású dinamikus feszültségstabilizátorok osztályozása látható. Ezek általában nagy névleges teljesítményű háromfázisú rendszerek, amelyek az elosztórendszer fő csomópontján, vagy meghatározott fogyasztók vagy fogyasztói csoportok közös csatlakozási pontján végzik a feszültség stabilizását. Mivel ezeket a rendszereket gyakran alkalmazzák a meddőteljesítmény dinamikus kompenzálására is az alapfrekvencián, a „stabilizátor” és a „kompenzátor” kifejezések egymással felcserélhetők.
8
Villogás (Flicker) Szinkron gépek A szinkron gépek az alapfrekvenciás induktív vagy kapacitív meddőteljesítmények hagyományos forrásai. Kompenzátorként vagy motorként használva mechanikai energiaforrásként is működhetnek. A szinkron gépet a gerjesztő áram szabályozása nélkül nem célszerű használni, mivel a feszültségváltozások szabványos határértékeinek eléréséhez a gép névleges teljesítményét a stabilizálást igénylő terhelés teljesítményének többszörösére kellene választani. Ezért, és a stabilizációs folyamathoz szükséges dinamikus paraméterek teljesítése érdekében a szinkron gépet zárt hurkú feszültségszabályozó rendszerben kell működtetni, gyors gerjesztő áram szabályozással (8. ábra). Az ilyen megoldás lehetővé teszi a gép meddő áramának gyors növelését.
Dinamikus feszültségstabilizátorok
Statikus
Forgó
Teljesítményelektronikai rendszerek
Saturable reactors
STATCOM Kényszerkommutációs átalakítók
Hálózati kommutációs átalakítók
DVR
Tirisztorral kapcsolt kapacitások (TSC)
Tirisztoros szabályozású fojtótekercsek (TCR) állandó (FC) vagy kapcsolható kapacitásokkal
7. ábra: A dinamikus feszültségstabilizátorok osztályozása
Változó terhelés
Táphálózat
Szabályozó rendszer
Referencia feszültség
Szinkron kompenzátor Átalakító
8. ábra: Feszültségstabilizáló szabályozási rendszer szinkronkompenzátor alkalmazásával
9
Villogás (Flicker) a)
b)
Működési tartomány
9. ábra: Az öntelítődő fojtótekercs működési elve: a) elrendezési rajz, b) a vasmag mágneses jelleggörbéje
a)
Táphálózat
Terhelés
Szabályozó rendszer TSC
Referencia feszültség / meddőteljesítmény
b)
10. ábra: a) TSC kompenzátor elvi kapcsolása, b) áram és feszültségalakok a kapacitás kapcsolásakor
10
Villogás (Flicker) Statikus kompenzátorok A statikus kompenzátorok (nem a STATCOM) passzív kapacitív és/vagy induktív elemeket tartalmaznak, amelyeket fázisvezérelten vagy szabályozott vasmag telítéssel kombinálva kapcsolnak. Ezek biztosítják a feszültségstabilizáláshoz szükséges meddő áramot, amelyet fokozatosan vagy fokozatok nélküli módon tudnak változtatni. A statikus kompenzátorok mind műszaki, mind gazdasági szempontból a villamos energiaminőség javításának legelőnyösebb megoldását képviselik.
Telíthető fojtótekercseket tartalmazó kompenzátorok Számos olyan eszköz létezik, amelyek a feszültségstabilizáláshoz telítődő mágneses köröket használnak. Ezek között a gyakorlatban két széles körben elterjedt megoldás található: az öntelítődő fojtótekercs (SR) és az egyenáramú szabályozókörrel rendelkező fojtótekercs. Öntelítődő fojtótekercs (SR)
Ez volt a feszültségingadozások hatásainak csökkentésére ipari méretekben elsőként alkalmazott statikus kompenzátor. A fojtótekercset úgy tervezik, hogy a mágneses jelleggörbéje a telítési könyökpont fölött széles áramtartományban enyhén emelkedő egyenes legyen (9. ábra). A fojtótekercs úgy van kialakítva, hogy a feszültségtartomány alján a vasmag éppen a telítés alatt van, és a mágnesező áram egy üresen járó transzformátoréhoz hasonló. Ebben az állapotban gyakorlatilag nincs hatása a feszültség nagyságára. Névleges feszültség esetén a fojtótekercs telítésbe kerül, és így a tápfeszültség kismértékű megváltozása az áram jelentős megváltozását okozza. A kompenzátort rendszerint feszültségcsökkentő transzformátor nélkül csatlakoztatják a táphálózathoz. Egyenáramú szabályozókörrel rendelkező fojtótekercs
A stabilizátort leggyakrabban kondenzátorteleppel párhuzamosan kapcsolva használják, amely kiszűri a nagyobb rendszámú felharmonikusokat. Lényegében úgy működik, mint egy mágneses erősítő, amelyben a primer áram nagyságát az egyenáramú mágnesező árammal lehet szabályozni. Az egyenáramú szabályozó tekercset rendszerint egy teljesen szabályozott tirisztoros átalakító táplálja, amelynek a teljesítménye általában nem haladja meg a stabilizátor névleges teljesítményének 1%-át. A mágnesező áram állításával a fojtótekercs primer árama gyakorlatilag a nulla (telítetlen vasmag) és a legnagyobb értéke (telített vasmag) között változik a primer áramváltozások teljes tartományában. Ennek a megoldásnak jelentős hátránya a nagy rendszámú felharmonikus áramok termelése. A háromfázisú kivitel esetén több horony alkalmazásával és a sok tekercs megfelelő kapcsolásával a nagy rendszámú felharmonikus áramokat gyakorlatilag el lehet tüntetni, de ennek ára a rendszer reakcióidejének megnövekedése. Három egyfázisú stabilizátor alkalmazásával az aszimmetria is mérsékelhető.
Tirisztorral kapcsolt kapacitások (TSC) Ebben a megoldásban több csoportból álló kondenzátor telepek vannak a fázisok közé kapcsolva, ahol minden egyes csoportot váltakozó-áramú tirisztorokkal lehet ki- vagy bekapcsolni (10. ábra). Ílymódon a kompenzátor egyenértékű szuszceptanciáját fokozatokban lehet változtatni, amelynek értéke az aktív csoportok számától függ. Megfelelően nagy számú és elegendően kis csoportokkal érhető el az, hogy az egy lépésben változtatható szuszceptancia (azaz a szuszceptancia változtatásának felbontása) a szükséges értékű legyen. A kondenzátorok kapcsolásakor normál körülmények esetén fellépő túláramokat és túlfeszültségeket a kapcsolások szinkronizálásával és a kondenzátorok előzetes feltöltésével lehet elkerülni. Szimmetrikus üzemmód esetén a reakcióidő nem haladja meg a 20 ms-ot.
FC/TCR kompenzátor Ez a megoldás a közvetett kompenzálásra példa. A megkövetelt funkciótól függően – feszültségstabilizátor vagy meddőteljesítmény kompenzátor – az áram két összetevőjének az összege van szabályozva (11. ábra): •
a kapacitás áramának alapharmonikusa; a kondenzátor szűrőként működik, vagy fokozatokban van kapcsolva (TCR / TSC),
•
a fojtótekercs áramának alapharmonikusa, amelyet váltakozó-áramú tirisztoros kapcsoló szabályoz. 11
Villogás (Flicker)
a)
Terhelés
b)
11. ábra: a) egyfázisú FC/TCR kompenzátor elvi kapcsolása, b) TCR áramának hullámalakjai
Táphálózat
Terhelés
Szabályozó rendszer
Referencia feszültség / meddőteljesítmény
12. ábra: Háromfázisú FC/TCR kompenzátor
12
Villogás (Flicker) 20 kV FC/TCR kompenzátor Ki
FC/TCR kompenzátor Be
Idő (s)
13. ábra: Példa az FC/TCR kompenzátor működésének eredményére A hagyományos, háromfázisú elrendezésben (12. ábra) a fojtótekercsek a söntszűrőkkel deltakapcsolásban vannak, amely a hálózat felől a fázisok közé kapcsolt egyenértékű szuszceptanciának látszik. A vezérlési szög változtatásával a szuszceptanciák értékei fokozatmentesen és egymástól függetlenül szabályozhatók. A fojtótekercsekkel ilymódon egy nagy rövidzárási teljesítményű transzformátor reaktanciáit lehet leképezni. A 13. ábrán a kompenzátor működésének eredményére láthatunk példát.
Változó (terhelés)
14. ábra: A táphálózathoz csatlakoztatott (VSC) kompenzátor elvi kapcsolása
Feszültségforrásként és meddő áram/teljesítmény forrásként működő kényszerkommutációs átalakító A kompenzátor egy feszültséggenerátoros átalakítót (VSC) tartalmaz. Az (impulzus-szélesség modulált) félvezető eszközök kapcsolási állapotai határozzák meg a meddőteljesítmény nagyságát és jellegét (induktív vagy kapacitív) – 14. ábra. Az irodalomban ezeknek a kompenzátoroknak számos különböző gyakorlati megvalósítása megtalálható. Az ilyen kompenzátorok képességei a szinkron gépekéhez hasonlók, de működésük sokkal gyorsabb. A legelterjedtebben használt kompenzátor a STATCOM.
13
Villogás (Flicker)
15. ábra: A STATCOM feszültség és áram hullámalakjai és fazorábrái az U0 és az Up közötti különböző fázisszögek esetén A STATCOM egy olyan új generációs statikus kompenzátor, amely kényszerkommutációjú félvezető eszközöket tartalmaz. A neve – Static Synchronous Compensator, azaz Statikus Szinkron Kompenzátor – a működési elvéből származik, amely a szinkron kompenzátoréhoz hasonló. A kompenzátor fő része egy AC/DC átalakító, amely egy induktív reaktancián, rendszerint a transzformátor szórt induktivitásán keresztül kapcsolódik a hálózathoz. Ha az átalakító feszültsége kisebb, mint a táphálózat feszültsége, akkor a kompenzátor induktív terhelésként szerepel; ezzel szemben, ha az átalakító feszültsége nagyobb, mint a tápfeszültség, akkor a kompenzátor meddőteljesítményt táplál a hálózatba, azaz kapacitív terhelésként viselkedik – 15. ábra.
Összefoglalás A villogás szubjektív jelenség. Ebből adódik, hogy nehéz meghatározni az általa okozott közvetlen kárt. A szolgáltatás alapvető minőségét befolyásolja – azaz az egyenletes világítás biztosítását. Nyilvánvaló, hogy a villogás befolyásolhatja egy irodában vagy gyárban a termelékenységet, de a villogás költsége alatt rendszerint a csökkentésére fordított kiadásokat értjük, amikor a panaszok már jelentőssé válnak. A teljesítményelektronika területén, különösen a félvezető elemek gyártásában végbemenő fejlődés lehetővé teszi az egyre nagyobb teljesítményű rendszerekben a feszültség dinamikus stabilizálását, miközben a beruházási és üzemeltetési költségek csökkennek. A bonyolult szabályozási algoritmusok elvégzésére alkalmas berendezések megjelenésével különböző feladatok váltak megoldhatóvá, mint például a dinamikus feszültségstabilizálás.
14
Villogás (Flicker) Irodalomjegyzék [1] Guide to Quality of Electrical Supply for Industrial Installations, Part 5, Flicker and Voltage Fluctuations, ‘Power Quality’ Working Group WG2, 2000. [2] UIE Guide to Quality of Electrical Supply for Industrial Installations. Part 1: General Introduction to Electromagnetic Compatibility (EMC), Types of Disturbances and Relevant Standards, 1994.
Függelék Cím
Sorsz. Szabvány száma 1.
IEC 61000-2-2: 2002
Elektromágneses összeférhetőség (EMC). 2-2. rész: Környezet. A kisfrekvenciás, vezetett zavarok és a jeltovábbítás összeférhetőségi szintjei a közcélú kisfeszültségű táphálózatokon.
2.
IEC 1000-3-5: 1994
Elektromágneses összeférhetőség (EMC). 3-5. rész: Határértékek. A feszültségingadozások és a villogás (flicker) határértékei kisfeszültségű táphálózatokon a 16 A-nél nagyobb névleges áramerősségű berendezések esetén.
3.
IEC 1000-3-7: 1996
Elektromágneses összeférhetőség (EMC). 3-7. rész: Határértékek. A kibocsátási határértékek maghatározása a középfeszültségű és nagyfeszültségű energiarendszerekben lévő változó terhelések esetén.
4.
IEC 61000-4-14: 2002
Elektromágneses összeférhetőség (EMC). 4-14. rész: Vizsgálati és mérési módszerek. Feszültségingatozással szembeni zavartűrési vizsgálat.
5.
IEC 60868: 1986
Villogásmérő. Működési és tervezési előírások.
6.
IEC 61000-4-15: 2003
Elektromágneses összeférhetőség (EMC). 4-15. rész: Vizsgálati és mérési módszerek. Villogásmérő. Működési és tervezési előírások.
7.
IEC 61000-4-30: 2003
Elektromágneses összeférhetőség (EMC). 4-30. rész: Vizsgálati és mérési módszerek. A hálózati feszültség minőségének mérési módszerei.
A1. táblázat: A feszültségingadozással kapcsolatos IEC szabványok
15
Jegyzetek
16
Referencia és Alapító Tagok* European Copper Institute* (ECI)
ETSII - Universidad Politécnica de Madrid
LEM Instruments
www.eurocopper.org
www.etsii.upm.es
www.lem.com
Akademia Gorniczo-Hutnicza (AGH)
Fluke Europe
MGE UPS Systems
www.agh.edu.pl
www.fluke.com
www.mgeups.com
Centre d'Innovació Tecnològica en Convertidors Estàtics i Accionaments (CITCEA-UPC) www.citcea.upc.edu
Hochschule für Technik und Wirtschaft* (HTW)
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
www.htw-saarland.de
www.uni-magdeburg.de
Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI)
Hogeschool West-Vlaanderen Departement PIH www.pih.be
Polish Copper Promotion Centre* (PCPC)
International Union for Electricity Applications (UIE) www.uie.org
Università di Bergamo* www.unibg.it
Copper Development Association* (CDA UK)
ISR - Universidade de Coimbra
University of Bath
www.cda.org.uk
www.isr.uc.pt
www.bath.ac.uk
Deutsches Kupferinstitut* (DKI)
Istituto Italiano del Rame* (IIR)
The University of Manchester
www.kupferinstitut.de
www.iir.it
www.manchester.ac.uk
Engineering Consulting & Design* (ECD)
Katholieke Universiteit Leuven* (KU Leuven) www.kuleuven.ac.be
Wroclaw University of Technology*
www.ceiuni.it Copper Benelux* www.copperbenelux.org
www.ecd.it EPRI Solutions Inc
Laborelec
www.epri.com/eprisolutions
www.laborelec.com
www.miedz.org.pl
www.pwr.wroc.pl
Szerkesztőségi bizottság David Chapman (Chief Editor)
CDA UK
[email protected]
Prof Angelo Baggini
Università di Bergamo
[email protected]
Dr Araceli Hernández Bayo
ETSII - Universidad Politécnica de Madrid
[email protected]
Prof Ronnie Belmans
UIE
[email protected]
Dr Franco Bua
ECD
[email protected]
Jean-Francois Christin
MGE UPS Systems
[email protected]
Prof Anibal de Almeida
ISR - Universidade de Coimbra
[email protected]
Hans De Keulenaer
ECI
[email protected]
Prof Jan Desmet
Hogeschool West-Vlaanderen
[email protected]
Dr ir Marcel Didden
Laborelec
[email protected]
Dr Johan Driesen
KU Leuven
[email protected]
Stefan Fassbinder
DKI
[email protected]
Prof Zbigniew Hanzelka
Akademia Gorniczo-Hutnicza
[email protected]
Stephanie Horton
ERA Technology
[email protected]
Dr Antoni Klajn
Wroclaw University of Technology
[email protected]
Kees Kokee
Fluke Europe BV
[email protected]
Prof Wolfgang Langguth
HTW
[email protected]
Prof Henryk Markiewicz
Wroclaw University of Technology
[email protected]
Carlo Masetti
CEI
[email protected]
Mark McGranaghan
EPRI Solutions
[email protected]
Dr Jovica Milanovic
The University of Manchester
[email protected]
Dr Miles Redfern
University of Bath
[email protected]
Dr ir Tom Sels
KU Leuven
[email protected]
Prof Dr-Ing Zbigniew Styczynski
Universität Magdeburg
[email protected]
Andreas Sumper
CITCEA-UPC
[email protected]
Roman Targosz
PCPC
[email protected]
Dr Ahmed Zobaa
Cairo University
[email protected]
Prof Zbigniew Hanzelka
AGH-UST Al. Mickiewicza 30 30-059 Kraków Poland Tel: Fax: Email: Web:
(012) 617 28 78 (012) 633 22 84
[email protected] www.agh.edu.pl
Dr eng Andrzej Bien
AGH-UST Al. Mickiewicza 30 30-059 Kraków Poland Tel: Fax: Email: Web:
(012) 617 28 73 (012) 633 22 84
[email protected] www.agh.edu.pl
���������������� ����������������
Magyar Rézpiaci Központ H-1053 Budapest, Képíró u. 9. Magyarország Tel: (+36 1) 266 48 10 Fax: (+36 1) 266 48 04 E-mail:
[email protected] Web: www.rezinfo.hu
European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel: Fax: Email: Website:
00 32 2 777 70 70 00 32 2 777 70 79
[email protected] www.eurocopper.org
