Aspekt i kvaliteta električne energije u električnim instalacijama

1. Aspekti kvaliteta električne energije u električnim instalacijama Univerzitet u Beogradu, Elektrotehnički fakultet, Katedra za energetske pretvarače i pogone, Prof. Dr Zoran Radakovic Kontakt: radakovic@etf.rs Predmet: Specijalne električne instalacije (izborni predmet, četvrta godina studija, sedmi semestar, Energetski odsek) Školska 2013 / 2014 godina Poglavlje 4 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

2. Uvod Parametri kvaliteta električne energije, uzročnici i posledice pogoršanog kvaliteta • Prijemnici električne energije mogu da rade ukoliko su karakteristike napona napajanja u određenom opsegu oko nominalnih karakteristika. • Idealno: - napajanje prijemnika bez ikakvog prekida, • - napon u svakoj od faza ima prosto-periodični oblik • nominalne efektivne vrednosti i nominalne učestanosti. • Svako odstupanje od idealizovanih karakteristika predstavlja pogoršanje kvaliteta napajanja. • Naravno, niti je realno, niti potrebno, da napon napajanja ima idealne karakteristike. Odstupanja u određenoj meri po svakom od navedenih parametara kvaliteta je prihvatljivo i ne narušava normalno funkcionisanje prijemnika. • Poglavlje se bavi: • posledicama odstupanja parametara, • definisanjem njihovih dozvoljenih opsega, • metodama za određivanje odstupanja parametara kvaliteta u fazi projektovanja, • merama za poboljšanje parametara kvaliteta električne energije • (pri projektovanju ili nakon puštanja u rad i tokom normalnog rada u mreži) Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

3. Prvo će se razmotriti moguća mesta priključenja prijemnika većih snaga i posebnih karakteristika, koji imaju veliki uticaj na parametre kvaliteta električne energije. Drugim rečima, razmotriće se konfiguracije električnih mreža za napajanje. • Pod posebnim karakteristikama prijemnika se podrazumevaju karakteristike koje dovode do sledećih značajnih promena napona na drugim prijemnicima: • - kratkotrajne promene efektivne vrednosti napona, • - izobličenje napona (pojava viših harmonisjkih komponenti), • varijacije efektivne vrednosti napona učestanosti od nekoliko herca i • velike nesimetrije struja po fazama. • Neke od posebnih karakteristika su prouzrokovane elektroenergetskim pretvaračima, koji su postavljeni između prijemnika i mreže da bi prilagodili napon i učestanost. Neki prijemnici imaju posebne karakteristike zbog električnih karakteristika samih prijemnika; na primer prijemnici sa nekim oblikom električnog pražnjenja. • Primeri prijemnika velikih snaga i posebnih karakteristika: • - električni motori velikih snaga u crpnim postrojenjima, kompresorskim stanicama, valjaonicama, mlinovima za rudu, koji imaju velike polazne struje i česte promene opterećenja, • - elektrolitička postrojenja za proizvodnju čistih metala, • - električne peći u livnicama i železarama itd. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

4. 10 kV Distributivna mreža  P = n 100 kW PR PR 35 kV Distributivna mreža  P = m 1000 kW Isto (6) 10 kV Prenosna mreža 110 kV  P = K 10000 kW 35 kV 10 kV 700 V Šematski prikaz načina priključenja prijemnika različitih snaga na mrežu Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

5. Veoma važan faktor koji određuje intenzitet pogoršanja kvaliteta isporučene električne energije je ekvivalentna impedansa mreže. • Njena vrednost u tački priključka prijemnika posebnih karakteristika utiče na napon na samom prijemniku, dok ekvivalentna impedansa u tački sa koje se napajaju i drugi prijemnici utiče na kvalitet napajanja na tim prijemnicima. • Impedansa mreže predstavlja istu vrednost koja je uvedena u poglavlju 1, odnosno vrednost koja određuje struju kratkog spoja na nekom mestu u mreži. Što je ekvivalentna impedansa manja, struja kratkog spoja je veća, "izdašnost" mreže veća i kvalitet napajanja čije je pogoršanje izazvano prijemnicima posebnih karakteristika bolji. • Objekti u kojima će se javljati prijemnici velikih snaga i posebnih karakteristika obično se nalaze izvan stambenih naselja. Na tim mestima je distributivna mreža uglavnom vazdušna. Zbog toga će ekvivalentna impedansa mreže biti pretežno reaktivna: Un – nominalna vrednost napona u tački priključka, c - naponski koeficijent korišćen pri proračunu snage kratkog spoja Sksu toj tački Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

6. Sistematizacija posebnih karakteristika prijemnika U Ur Ipa Um Ua Ipr Ip Up Prijemnici mogu imati jednu od sledećih "posebnih" karakteristika: - Velika polazna struja - Velike varijacije reaktivne snage tokom normalnog rada - Velike nesimetrije opterećenja po fazama - Pojava viših harmoničnih komponenti struja i pri napajanju čistim sinusnim naponom Velike polazne struje kod priključenja na napon Velike polazne struje kod kondenzatora i prigušnica su posledica električnih prelaznih pojava, a kod asinhronih motora prevashodno posledica mehaničkog procesa zaletanja (odnosno male ekvivalentne impedanse motora pri malim brzinama)  velike polazne struje kod motora traju duže nego kod kondenzatora i prigušnica. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

7. Treperenje napona Posledica je stalne promene reaktivne snage prijemnika, koja na ekvivalentnoj impedansi mreže izaziva stalne promene pada napona. Te promene pada napona izazvaće "treperenje napona", odnosno stalnu promenu efektivne vrednosti napona. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

8. Magnetne nesimetrije Kod prijemnika velikih snaga i niskih radnih napona, koji zbog toga u svom sastavu imaju transformator, ukoliko se veze između sekundara transformatora i prijemnika ne izvedu na poseban način može doći do smetnji u radu prijemnika i mogu se pojaviti velike nesimetrije opterećenja po fazama. Zbog velikih jačina struja, padovi napona u šinskim vezama su veliki. Ako veze nemaju magnetsku simetriju, kao na primer kada se šinski provodnici postave u jednoj ravni, kako je to na slici (b) pokazano, padovi napona po fazama neće biti jednaki. U jednoj spoljnoj fazi padovi napona usled međusobne induktivnosti će biti veći, u drugoj spoljnoj manji, od onog u srednjoj. To pri istim sekundarnim naponima praznog hoda po fazama transformatora izaziva različite napone po fazama kod prijemnika, što dovodi do nesimetričnog strujnog opterećenja. Ono može biti toliko veliko da u distributivnoj mreži poremeti simetričnost napona, što će imati negativne posledice poput pojave inverznih obrtnih polja kod električnih motora i generatora ili pojave značajne struje kroz nulti provodnik. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

9. Harmonijska izobličenja Neki prijemnici sami po sebi, a neki zbog elektroenergetskog pretvarača koji se nalaze između njih i distributivne mreže, imaju nesinusoidalni oblik struje. Talasni oblik struja za dva prijemnika: (a) elektrolučnu peć i (b) tiristorski regulisani ispravljač U slučaju da se radi o takvom velikom prijemniku ili o velikom broju takvih prijemnika manjih snaga, nesinusoidalne struje mogu izazvati izobličenje i samog napona iza ekvivalentne impedanse mreže. Štetne posledice viših harmoničnih komponenti: Kratkotrajne: poremećaji u upravljanju statičkim elektroenergetskim pretvaračima, greške u merenju indukcionih vatmetara, vibracije i buka kod prigušnica i transformatora, vibracije kod obrtnih električnih mašina (izazvane pulsirajućim elektromagnetnim momentom), smetnje u telekomunikacionim vodovima (zbog povećanog relativnog uticaja energetskih na telekomunikacione vodove pri učestanostima višim od osnovne mrežne učestanosti) itd. Dugotrajni efekti: zagrevanje kondenzatora, zagrevanje mašina i transformatora, kod mašina dolazi i do dodatnog zagrevanja rotora jer više harmonične komponente imaju značajnu brzinu u odnosu na rotor, dodatno zagrevanje kablova, kako zbog povećanja efektivne vrednosti struje, tako i zbog dodatnih dielektričnih gubitaka i usled rasutog fluksa, koji je posebno veliki za harmonike reda deljivog sa tri. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

10. Analiza viših harmonika: Bazira se na teoriji složenoperiodičnih signala, poznatoj iz teorije električnih kola. Formira se električno kolo u kome su svi elementi električne mreže predstavljeni ekvivalentnim impedansama (pa i generatori 50Hz), dok se kao generatori u električnom kolu javljaju strujni generatori, čije su struje jednake strujnim harmonicima nelinearnih prijemnika. Ekvivalentno kolo se formira za svaki harmonik posebno. Vrednosti struja strujnih generatora, odnosno vrednosti viših harmonika struja nelinearnih prijemnika, određuju se iz registrovane složenoperiodične struje prijemnika kada se on napaja prostoperiodičnim naponom (ovo je prva aproksimacija): registrovani složenoperiodični signal struje prijemnika se razvija u Furijeov red. Iz ekvivalentnih kola, za svaki harmonik posebno, izračunavaju se odzivi kola (napona u čvorovima i struje u granama) na prostoperiodične pobudne signale (strujne generatore). Vremenska promena složenoperiodičnog napona ili struje je jednaka zbiru dobijenih prostoperiodičnih odziva. Dakle, svaka složenoperiodična veličina se predstavlja redom oblika  - red učestanosti osnovnog harmonika Faktor distorzije (D), koji se često naziva i faktor totalne distorzije (THD): CIGRE (International Conference for Large Electrical Network) IEC (International Electrotechnical Comission) 0 D  1 D 0 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

11. Načini puštanja u rad nekih prijemnika Sadržaj odeljka: Kako ograničiti polazne struje prijemnika kada one izazivaju prevelike padove napona. Puštanje u rad električnih asinhronih motora Prvi korak: Izračunavanje pada napona i procena da li je on u opsegu koji je prihvatljiv: (a) za polazak samog motora, (b) za ostale prijemnike koji se napajaju iz mreže. Izračunavaju se i proveravaju padovi napona na ekvivalentnoj impedansi mreže do priključaka motora, kao i na impedansi mreže do mesta na koje se priključuju i ostali prijemnici. Ukoliko je neki od padova napona veliki, motor se mora puštati posredstvom nekog puštača. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

12. Asinhroni motor sa kratkospojenim rotorom: • Koncepcije puštanja motora: • Smanjenje napona napajanja motora (smanjenje U), uz konstantnu učestanost  smanjuje se I, smanjuje se Uprijemnici , smanjuje se Mmot. Prihvatljivo ako je otporni momenat radne mašine manji od pogonskog momenta električnog motora.Rešenje primenjivo kada se pokreću radne mašine čiji je polazni momenat mali, a raste sa porastom broja obrtaja (primer: centrifugalna crpka ili centrifugalni ventilator). • Smanjenje napona napajanja uz istovremeno smanjenje učestanosti, tako da se održi konstantan fluks u mašini, odnosno konstantan momenat. Asinhroni motor sa namotanim rotorom: Primenom otpornika u kolu rotora jednostavno se ostvaruje ograničenje struje bez smanjenja maksimalnog momenta. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

13. Pregled mogućih načina priključenja na mrežu i puštanja u rad asinhronih motora; uticaj konfiguracije napajanja na pad napona na motoru i na ostalim prijemnicima Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

14. Asinhroni motor sa kratkospojenim rotorom / ograničenje polazne struje smanjenjem napona pri istoj učestanosti / puštač zvezda – trougao: napon na namotajima statora 3 manji, moment motora 3 puta manji i struja koja protiče kroz linijske provodnike 3 puta manja. Asinhroni motor sa kratkospojenim rotorom / ograničenje polazne struje smanjenjem napona pri konstantnoj učestanosti / poluprovodnički pretvarač elementarne izvedbe, upravljan na najjednostavniji način (fazni regulator). Rešenje nije prikazano na Slajdu 13. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

15. Asinhroni motor sa kratkospojenim rotorom / ograničenje polazne struje smanjenjem napona uz smanjenje učestanosti (održavanje konstantnog fluksa). Rešenje nije prikazano na Slajdu 13. Asinhroni motor sa namotanim rotorom / ograničenje polazne struje pomoću otpornika vezanog u kolo rotora. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

16. R ekv R C T s R R P Lončana elektroindukciona peć C P L P S L s R R Popravak cos Simetriranje Rešenje regulacije brzine asinhronog motora sa namotanim rotorom pogodno kada je brzina u opsegu brzina bliskim nominalnoj. Alternativa rešenju za regulaciju brzine prikazanom sa vrha Slajda 15. Puštanje u rad lončane indukcione peći za mrežnu učestanost Uslov da se sa mreže peć vidi kao simetričan aktivni trofazni prijemnik: XLS = XCS = 3Rekv Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

17. Sinhrona kompenzacija reaktivne snage Ako je stalna promena napona (treperenje napona) usled stalne promene reaktivne snage neprihvatljivo velika, neophodno je vršiti trenutnu (sinhronu) kompenzaciju reaktivne snage. Najčešća dva načina da se ostvari sinhrona kompenzacija su: • Paralelno sa prijemnikom kome varira reaktivna snaga se priključi prepobuđen sinhroni motor, koji radi u praznom hodu. Motor radi kao generator kapacitivne reaktivne energije, pomoću koje se vrši kompenzacija reaktivne energije koju troše drugi prijemnici. Pošto je struju pobude motora moguće kontinualno menjati, pomoću njega je moguće vršiti sinhronu kompenzaciju. • Paralelno sa prijemnikom se priključuju kondenzatori i prigušnice. Kapacitivna reaktivna snaga kondenzatora je jednaka maksimalno očekivanoj reaktivnoj snazi prijemnika, dok je induktivna reaktivna snaga prigušnice jednaka razlici maksimalno potrebne i stvarne trenutne reaktivne snage prijemnika. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Problem viših harmonika

18. Načini postavljanja niskonaponskih vodova za struje velikih jačina Kod prijemnika velikih snaga, malih radnih napona i posledično velikih struja, koji u svom sastavu uvek imaju transformator, konstruktivno je teško ostvariti simetrične veze između sekundara transformatora i prijemnika. Zbog toga se rešenje problema različitih padova napona po fazama usled različitih međusobnih induktivnosti između faza mora tražiti na drugi način. Rešenje 1 (za prijemnike do 1 MW): Primena nesimetričnih transformatora, sa različitim vrednostima sekundarnih napona po fazama. Rešenje 2 (za velike prijemnike – snage nekoliko desetina MW): Primena tri monofazna umesto jednog trofaznog transformatora, pri čemu je njihova dispozicija takva da se vodovi nalaze u temenima ravnostranog trougla. Rešenje 3 (za prijemnike čija je snaga između snage prethodne dve grupe): Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

19. referentni fazor referentni fazor referentni fazor URS = UST UTR = URT USR > URT UST > URT 0.867 (USR - UTR) = 0.867 (UST -URT) = U* 0.500 (USR + UTR) = 0.500 (USR + URT) = U** referentni fazor referentni fazor referentni fazor Podužne (aktivne) komponente pada napona po fazama): (RI + U*, RI – U*, RI) Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

20. Više harmonične komponente – problemi i rešenja Generatori harmonika U najvećem broju slučajeva dominantni su harmonici reda  = 5, 7, 11 i 13, odnosno harmonične komponente učestanosti f = 250, 350, 550 i 650 Hz. Nelinearni prijemnici imaju izobličenu struju koja sadrži navedene dominantne harmonike i kada se na njih dovede čist prostoperiodični (sinusni) napon. Talasni oblik četvrtki: Amplituda -tog harmonika fazne struje kod ispravljačkog diodnog mosta, sa idealnim strujnim ponorom na jednosmernoj strani, određena je takođe prethodnim izrazom, ali je  = kp 1, gde je k ceo broj, a p broj pulseva u periodi (p = 6, kod klasičnih trofaznih diodnih ili punoupravljivih mostova ili p = 12, kod dvanaestopulsnih ispravljača) Kod fluorescentnog osvetljenja (izvori sa električnim pražnjenjem) se javlja izražen treći harmonik (do 25 % osnovnog). Treći harmonik je specifičan: protiče kroz nulti provodnik (struja trostruko veći nego kroz fazni), postoji samo u faznom (ne i u linijskom) naponu, impedansa kvalitativno jednaka nultoj impedansi u sistemu simetričnih komponenti. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

21. Zasićene prigušnice, u koje se ubraja i transformator u praznom hodu, kojima je napon nešto iznad nominalnog, takođe predstavljaju generatore viših harmonika. Elektrolučna peć (orijentaciono, prva aproksimacija): Personalni računar Talasni oblik struje Spektralni sastav struje Veliki treći harmonik – oko 25% osnovnog Fluorescentni izvori svetla Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

22. Jako veliko izobličenje struje; merenjima je dobijena distorzija: za izvor snage 9 W 121.7 %, za 11 W – 108.9 % za 15 W – 134.5 %) Kompaktni fluorescentni izvori svetla sa elektronskim balastom Dozvoljeni nivo prisustva viših harmonika Za više harmonične komponente postoje propisani strujni i naponski limiti. Strujni su namenjeni proizvođačima prijemnika, koji ih moraju poštovati – IEC Standard 61000-3-2: Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3: Limits - Section 2: Limits for harmonic current emission (equipment input current  16 A per phase) Naponski limiti se postavljaju za mrežu i oni kvantifikuju kvalitet napona isporučenog potrošačima. Limiti se iskazuju kao dozvoljene vrednosti pojedinih harmonika ili preko faktora distorzije. Primera radi, u narednoj tabeli su prikazane granice preuzete iz International Standard IEC 61000–3–6: Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 3: Limits – Section 6: Assessment of emission limits for distorting loads in MV and HV power systems – Basic EMC publication. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

23. Dozvoljeni naponski harmonici u srednjenaponskim i visokonaponskim mrežama Ukupni dozvoljeni faktor izobličenja napona 8 %. Naponski harmonici nastaju kao pad napona koji stvaraju harmonici struje na impedansama elemenata instalacije / električne mreže. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

24. 1/(j  CF) U j  Lks I j  LF Filtri Filtri su elementi koji se postavljaju u mreži sa ciljem da kroz njih protiču struje viših harmonika koji potiču od nelinearnih prijemnika. Time se sprečava njihovo prostiranje kroz električnu mrežu i sve posledice do kojih zbog toga dolazi. Rezonantni filtri predstavljaju kratak spoj za učestanost harmonika (*) koja se želi eliminisati Za učestanost osnovnog harmonika rezonantni filter se ponaša kao kapacitivnost Za projektovanje: Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

25. Uticaj aktivne otpornosti na ponašanje filtra Zbog aktivne otpornosti prigušnice ponašanje rezonantnog filtra je kompleksnije od opisanog ponašanja idealnog rezonantnog filtra. Za opisivanje karakteristika realnog rezonantnog filtra se koristi faktor dobrote: gde je r omski otpor prigušnice, a X0 karakteristična impedansa: Orijentacione vrednosti faktora dobrote su 75, za vazdušne prigušnice, dok za prigušnice sa gvozdenim jezgrom imaju veće vrednosti. Veći faktor dobrote  veća efikasnost rezonantnog filtra (veće slabljanje harmonika pri rezonantnoj učestanosti). Od faktora dobrote zavisi i propusni opseg učestanosti filtra. Propusni opseg učestanosti filtra (PO) se definiše kao oblast učestanosti u kome je impedansa filtra manja ili jednaka impedansi (otpornosti) filtra za rezonantnu učestanost fr pomnoženoj sa 2. Suština pojma propusnog opsega je da se definiše koji je to opseg učestanosti u kome filter zadržava vrednost impedanse bliske impedansi pri rezonantnoj učestanosti. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

26. Pojam propusnog opsega je uveden iz praktičnih razloga: kod realnih filtera i realnih uslova njihove eksploatacije uslov rezonanse nije moguće potpuno tačno i uvek ispuniti. Naime, elementi filtra LF i CF poseduju izvesnu proizvođačku toleranciju (posebno je problematičan parametar LF ako je prigušnica izrađena kao vazdušna), menjaju se sa promenom temperature, menjaju se tokom vremena eksploatacije (pogotovu CF) itd. Pored toga, postoje i male varijacije mrežne učestanosti oko nominalne vrednosti (50 Hz), što takođe dovodi do pomeranja radne tačke filtra van rezonanse. Rezonantni filtri su pogodni za primenu kada se javlja manji broj pojedinačnih viših harmonika struje (na primer peti i / ili sedmi). U slučaju da prijemnik generiše kontinualne harmonijske spektre (postoji veliki broj viših harmonika struje značajnih amplituda), primena rezonantnih filtera nije pogodna jer bi se moralo postaviti više rezonantnih filtera, podešenih na razne učestanosti, što se po pravilu nepovoljno odražava na cenu rešenja. U ovakvim slučajevima je pogodnija primena “oslabljenih filtera” ili kombinacija rezonantnih i oslabljenih filtera. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

27. Rezonantni filter Filter sa slabljenjem drugog reda Oslabljeni filter drugog reda Vrednost rezonantne učestanosti je veća od vrednosti rezonantne učestanosti rezonantnog LC filtra identičnih vrednosti L i C, koja iznosi Oslabljeni filter se projektuje tako da njegova rezonantna učestanost fr odgovara prvom (najnižem) opasnom harmoniku iz spektra struje, koji je obično i najveći; najčešće je to peti harmonik. Reaktivna snaga koju generiše oslabljeni filter za osnovni harmonik je približno jednaka vrednosti koju daje rezonantni filter identičnih vrednosti L i C. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

28. j  Lks I U Problem antirezonanse Zamenska šema elementarnog slučaja (ne vrši se kompenzacija reaktivne snage osnovnog harmonika) nelinearnih prijemnika na električnoj mreži(uticaj linearnih prijemnika se može zanemariti) Zamenska šema elementarne konfiguracije sa klasičnom kompenzacijom Impedansa paralelne veze ZC i Zm: Za harmonik impedansa ZCm postaje beskonačno velika!  impedansa “koju vide” harmonici struje je jednaka otpornosti Rp (Rp>> Zm). Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

29. Dakle, ako postoje harmonici struje reda **, zbog velike vrednosti impedanse pri toj učestanosti (Rp (Rp>> Zm)), javiće se i veliki harmonici napona. Jedna od najvažnijih posledica je pojava velikih viših harmonika struje kroz kondenzatore: Forma pogodna za praktičnu brzu procenu opasnosti od pojave antirezonanse: Mere za sprečavanje antirezonanse • Da se antirezonantna učestanost "pomeri" van opsega viših harmonika struje koji se generišu od strane potrošača. • Da se postave filtri opisani u prethodnim odeljcima, tako da struje viših harmonika koje generišu nelinearni potrošači dominantno protiču kroz male impedanse filtera, i na taj način potpuno eliminišu i ti harmonici i posledice do kojih bi oni doveli. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

30. Impedansa mreže Oblast spektra struje Pomeranje antirezonantne učestanosti van opsega viših harmonika struje koji se generišu od strane potrošača se vrši postavljanjem prigušnice (induktivnosti L) na red sa kondenzatorima (kapacitivnosti C). Na taj način učestanost pri kojoj dolazi do antirezonanse postaje (Lks je induktivnost kratkog spoja mreže) Proizvođača opreme za kompenzaciju reaktivne snage nude i antirezonantne prigušnice standardnih nominalnih struja i vrednosti učestanosti fr: 134 Hz, 189 Hz i 210 Hz; Potreba za primenom antirezonantnih prigušnica se utvrđuje na osnovu reaktivne snage potrebne kondenzatorske baterije, snage kratkog spoja mreže i spektralnog sastava struje. U praksi je najpouzdanije i najpogodnije vršiti merenja da bi se odredila potrebna snaga kondenzatorskih baterija i ustanovio stvarni spektralni sastav struje. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

31. Antirezonantna prigušnica kao mera zaštite od rezonanse Do sada razmatran problem: pojava velikih harmonika napona na kondenzatoru i velikih harmonika struje kroz kondenzator kao posledica prisustva nelinearnih prijemnika u instalaciji za koju se projektuje postrojenje za kompenzaciju reaktivne snage (antirezonansa). Pored toga, postoji i problem pojave velikih harmonika struje kroz kondenzator zbog pojave rezonantnse i velikih harmonika napona u mreži koji potiču od nelinearnih prijemnika van instalacije u kojoj se projektuje postrojenje za kompenzaciju reaktivne snage: Iz prethodnog izraza se vidi da do rezonanse dolazi za učestanost čiji je red Ukoliko se na red sa kondenzatorom postavi prigušnica induktivnosti L, rezonansa nastupa pri Dakle, opasan red harmonika i mehanizam zaštite uvođenjem antirezonantne prigušnice je isti kao što je bio slučaj kada se antirezonantna prigušnica koristi za zaštitu od antirezonanse. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

32. Aktivni filtri U osnovi se koristi IGBT invertorski most, kojim može da se generiše proizvoljan talasni oblik napona korišćenjem PWM modulacije. Generisani napon se povezuje sa mrežom preko prigušnica i malih filterskih kola.Generisanje proizvoljnog talasnog oblika napona omogućava ostvarivanje proizvoljnog talasnog oblika struje kroz aktivni filter. Kod aktivnih filtera je po pravilu moguće zadavanje strategije iskorišćenja mogućnosti filtra (njegove nominalne struje). Najčešće je strategija (algoritam upravljanja) sledeća: Prioritet 1: spuštanje harmonika ispod zadatih vrednosti, Prioritet 2: (a) kompenzacija reaktivne snage osnovnog harmonika do jedinične vrednosti ili (b) maksimalna filtracija viših harmonika, Prioritet 3: (b) ako je kao Prioritet 2 izabran (a), (a) ako je kao Prioritet 2 izabran (b). Aktivni filtri su tehnički idealni, ali skupi, zbog čega ih treba koristiti kao dodatak pasivnim filtrima. Oni, ako su dimenzionisani za odgovarajuću struju, mogu da odstrane sve ono što je ostalo posle dejstva pasivnih filtera. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

33. Praktične orijentacione preporuke za uvođenje filtera Procena se vrši na osnovu prividne snage nelinearnih prijemnika (Gh) i snage kratkog spoja mreže (Sks) ili nominalne snage transformatora (Sn). Preporuke za tehničko rešenje kompenzacije reaktivne snage po kriterijumu Gh / Sks Preporuke za tehničko rešenje kompenzacije reaktivne snage po kriterijumu Gh / Sn Ovo treba shvatiti kao preporuke za grubu procenu potrebnog tehničkog rešenja. Treba težiti da se sprovede postupak opisan u ovom odeljku, baziran na: (a) merenju opterećenja (aktivne i reaktivne snage i harmonika struje) u postrojenju bez kompenzacije reaktivne snage ili (b) podacima o prijemnicima (ako se radi o postrojenju za koje se projektuje električna instalacija, koja uključuje i kompenzaciju reaktivne snage). Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

34. Primer filtra koji mora da ugradi proizvođač elektroenergetske komponente (prijemnika) U primeru se razmatra poluprovodnički pretvarač (invertor) preko koga se na elektroenergetsku mrežu povezuje vetrogenerator snage 2MW. Zahtev je da pretvarač ispuni zahteve za harmonicima specificiranim u standardu IEEE 519. • Topologija i osnovni parametri • Sinhroni trofazni generator sa permanentim magnetom • Regulacija zakretanja lopatica vetroturbine • Ispravljanje generatorskog napona: napon u DC kolu u opsegu 1050V – 1100V • Napon naizmenične (ka mreži) strane invertora 690V, nominalna struja 1950A • Priključaj na srednjenaponsku mrežu preko trofaznog transformatora snage 2MW • Realan opseg promene napona kratkog spoja transformatora 4 – 6 % • Učestanost PWM modulacije invertora oko 3000 Hz • Filter • Sadržaj harmonika koji se injektiraju u mrežu bude ispod propisanog (standardi) • Filter čine invertorska prigušnica (L1), kondenzator (C) i mrežni transformator • (impedanse kratkog spoja L2) • Filter mora da spreči harmonike struje učestanosti PWM modulacije da prodru u mrežu • Transformator (L2) i kondenzatori moraju biti “zaštićeni” i pri pojavi harmonika niskih • učestanosti u mreži Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

35. Glavni prozor simulacionog programa Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

36. Nivo dozvoljenih harmonika prema standardu IEEE 519 Da bi se izbegli parni harmonici, čije je dozvoljena vrednost manja (25% dozvoljene vrednosti za neparne harmonike), bira se učestanost PWM modulacije 3050Hz Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

37. Harmonici napona na izlasku iz invertora (ka mreži) dobijeni simulacijom za kritičan slučaj minimalnog napona u DC kolu (1050 V) i maksimalnog napona na naizmeničnoj strani (690 V + 10 %). Space-vector modulacija, nema filterskog kondenzatora C, L1 = 100 µH, napon kratkog spoja transformatora 5 %) Ekvivalentno kolo za određivanje harmonika struje prema mreži u slučaju postojanja filtra. Impedansa mreže uključena u impedansu transformatora (ZL2). Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

38. Harmonici struje prema mreži u oblasti spektra oko učestanosti PWM modulacije (L1 = 250 µH, C = 550 µF, napon kratkog spoja transformatora 4 %) Ekvivalentno kolo za određivanje harmonika struje izazvanih prisustvom viših harmonika napona u mreži. Svrha proračuna: dimenzionisanje prigušnica, kondenzatora i transformatora tako da ne budu ugroženi velikim naponskim harmonicima u mreži. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

39. Harmonici struje izazvani izobličenim naponom mreže; slučaj jako izobličene mreže – vrednosti harmonika napona jednake dozvoljenim vrednostima (IEC 61000-3-6): 5i - 6 %, 7i - 5 %, 11i - 3.5 %, 13i - 3 %, 17i - 2 %, 19i - 1.5 %, 23i- 1.5 % 25i - 1.5 % Proračuni (računarske simulacije, proračuni po jednostavnim zamenskim šemama, spektralna analiza, frekventne karakteristike itd. služe da bi se došlo do optimalnog filtra (rešenje koje ispunjava sve tehničke uslove i ima najnižu cenu). Proračuni su pokazali da “interleaving” tri invertora (paralelno povezani izlazi sa tri invertora, pri čemu se vrši fazni pomeraj za trećinu PWM ciklusa – time se praktično postiže trostruko veća učestanost PWM modulacije) značajno pojeftinjuje filter. Interleaving se može vršiti na naponskom nivou 690V (povezivanje izlaza invertora) ili na srednjem naponu (vezivanje srednjenaponske strane transformatora) Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

40. Ograničenje maksimalne struje pri priključenju kondenzatora Maksimalno dozvoljena trenutna struja kroz kondenzatore: 100 InC Maksimalna struja se može izračunati analizom prelaznih režima u R, L (mreža) C (kondenzatori) kolu. Standardna tehnika ograničenja polazne struje je dodavanje otpornika na red sa kondenzatorima. Ovo se kao standardno rešenje za kondenzatore manje snage (do 50 kVAr) nudi od strane proizvođača opreme za kompenzaciju reaktivne snage – rešenje sa kontaktorima. Druga mogućnost smanjenja je da se pri uključenju na red sa kondenzatorima prvo priključi prigušnica, što se takođe može naći u katalozima proizvođača opreme za kompenzaciju reaktivne snage. Podsetimo da neka od rešenja za sprečavanje pojave viših harmonika (antirezonantna prigušnica, rezonantni filtri, oslabljeni filtri) u sebi već sadrže prigušnicu ili otpornik, koji će ograničiti struju pri uključenju. U IEC standardima, kao i brošurama proizvođača, mogu se naći jednostavne formule za određivanje maksimalne struje pri uključenju kondenzatora – izračunavanje po ovim formulama je jednostavnija varijanta od izračunavanja struja analizom prelaznih režima u R, L, C kolu. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

41. IEC 60871-1: Vršna vrednost struje pri uključenju kondenzatora: S - snaga tropolnog kratkog spoja (MVA) na mestu priključenja kondenzatora, In - nominalna struja kondenzatora (data kao efektivna vrednost struje, u A), Q - trofazna reaktivna snaga kondenzatora (MVAr)) IEC 60871-1: Vršna vrednost struje pri uključenju kondenzatora na sabirnice na koje su već priključeni drugi kondenzatori: U - efektivna vrednost faznog napona (231 V) XL - reaktansa vodova između kondenzatora () - onog koji je već bio priključen (reaktivne snage Q1) i onoga koji se priključuje (reaktivne snage Q2) XC - kapacitivna reaktansa po fazi (), izračunata po izrazu Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

42. Aspekt visokofrekventne komande Sistemi za visokofrekventnu komandu su sistemi kojima se prenose signali prostoperiodičnog oblika (učestanosti 175 Hz ili 188 Hz) od generatora do prijemnika, pri čemu se kao prenosna mreža koristi postojeća elektroenergetska (distributivna) mreža. Generatori su obično centralizovani na jednom mestu u elektrodistributivnoj kompaniji, a prijemnici su raspoređeni po čitavoj elektrodistributivnoj mreži (MTK uređaji, za prebacivanje niže i više tarife za električna brojila su takvi tipični prijemnici). Pri definisanju potrebne snage generatora potrebno je uvažiti i uticaj prethodno opisanih elemenata koji su služili za smanjenje viših harmonika napona i struje prouzrokovane nelinearnim prijemnicima. Za razliku od željenog efekta smanjenja harmonika čija je učestanost jednaka celobrojnom umnošku mrežne učestanosti, proticanje struje učestanosti visokofrekventne komande kroz filtre nije poželjna. Naime, pojava ovih struja direktno povećava opterećenje generatora visokofrekventne komande, o čemu se mora voditi računa, odnosno sprovesti odgovarajuća analiza. Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic