Wpływ odbiorników nieliniowych na sieć zasilającą

Szczegóły

Nadrzędna kategoria: Artykuły

Opublikowano: środa, 11, luty 2015 12:24

Idealne źródło zasilania prądu przemiennego (AC) to niezakłócony sygnał sinusoidalny o częstotliwości 50 Hz. Wszystkie urządzenia elektryczne AC są przystosowane do takiego zasilania. Występujące w sieci harmoniczne (określane w stosunku do prądu lub napięcia) to sygnały o częstotliwości stanowiącej wielokrotność częstotliwości znamionowej. Zakłócają one swoją obecnością sygnał zasilający, zniekształcając jego przebieg. W efekcie wywołują zmianę parametrów zasilania odbiorców z sieci energetyki zawodowej.

Wprowadzenie
W ostatnim czasie problem odkształcania napięcia narasta w wyniku powszechnego stosowania przez odbiorców nieliniowych urządzeń elektroenergetycznych i energoelektronicznych, wyposażonych w układy przetwarzania energii. Każde z tych urządzeń do swojego działania wymaga zastosowania elementów odkształcających sinusoidalne przebiegi prądu i wprowadzających wyższe harmoniczne.

Każdy przebieg sygnału, który nie jest sinusoidalny, można opisać jako sumę n sygnałów o częstotliwościach będących wielokrotnością częstotliwości podstawowej - w tym przypadku równej 50 Hz, a więc częstotliwość 3. harmonicznej wynosi 150 Hz, 5. zaś 250 Hz. Harmoniczna rzędu n ma częstotliwość n×50 Hz. Przykładem może być diagram przedstawiony na rys. 1. Zawiera on oprócz harmonicznej podstawowej także harmoniczne nieparzyste od 3. do 17. Omawiane urządzenia generują zniekształcenia harmoniczne w prądzie i wprowadzają je do sieci energetycznej, powodując odkształcenia napięcia zasilającego oraz obniżenie współczynnika mocy. W efekcie urządzenia generujące wyższe harmoniczne zakłócają pracę innych odbiorników oraz wprowadzają ryzyko uszkodzenia, a nawet pożaru wrażliwych urządzeń elektronicznych i elektrycznych.

Występowanie zniekształceń harmonicznych w prądzie i napięciu ma swoje konsekwencje w kosztach działalności przedsiębiorstw przemysłowych, a także odbiorców komunalnych. Nie pozostają bez znaczenia także dla odbiorców indywidualnych, w tym gospodarstw domowych.

Źródła wyższych harmonicznych
Urządzenia elektroniczne i energoelektroniczne, takie jak: falowniki (przemienniki częstotliwości), UPS-y, układy zasilające i stabilizujące źródeł światła, nowoczesne telewizory oraz sprzęt komputerowy są przykładami powszechnie wykorzystywanych urządzeń, które generują harmoniczne wskutek pobierania niesinusoidalnego prądu. Także wiele odbiorników przemysłowych, takich jak napędy prostownikowe, napędy wind, maszyn tkackich, maszyn drukarskich czy urządzeń walcowniczych jest źródłem tego typu niekorzystnych zjawisk.

Urządzenia cechujące się nieliniową charakterystyką prądowo napięciową można podzielić na trzy grupy:

• urządzenia z rdzeniami ferromagnetycznymi (np. transformatory mocy);
• układy elektroniczne i energoelektroniczne (np. prostowniki z filtrem pojemnościowym, zasilacze z przetwarzaniem energii SMPS);
• urządzenia łukowe i lampy wyładowcze (np. agregaty spawalnicze, wyładowcze źródła światła).

Transformatory są źródłami wyższych harmonicznych z powodu nieliniowości charakterystyk magnesowania ich rdzeni. Zjawisko to występuje przede wszystkim w przypadku zaburzeń związanych ze zmianą obciążenia np. z załączeniem dużych odbiorników mocy biernej.

Problem odkształceń przebiegów prądu pobieranego przez układy elektroniczne spowodowany jest głównie przez stosowanie w nowoczesnych urządzeniach zasilaczy impulsowych. Ich konstrukcja sprawia, że zamiast zasilania ciągłego z sieci urządzenie pobiera impulsy prądu, powodujące powstanie wyższych harmonicznych znacznych wartości.

Urządzenia należące do grupy źródeł tworzących wyższe harmoniczne to również m.in. przemienniki częstotliwości, napędy AC/DC, komputery, UPS-y, kasy fiskalne, odbiorniki telewizyjne, sprzęt biurowy i AGD.

Tyrystorowe sterowniki występują w obiektach przemysłowych, są także obecne w innych obiektach w tym np. w mieszkaniach. Sterowniki tego typu stosuje się bowiem do regulacji prędkości obrotowej w popularnych elektronarzędziach lub do regulacji natężenia oświetlenia. Sterowanie odbywa się poprzez regulację kąta załączenia klucza (tyrystora, triaka). W ten sposób do odbiornika dociera jedynie część sinusoidy napięcia, co skutkuje pobieraniem z sieci mocno zniekształconego prądu.

Wyładowcze źródła światła, których liczba wśród tego typu odbiorników jest znacząca, również wprowadzają do sieci wyższe harmoniczne. Występujący w nich szeregowy dławik z rdzeniem jest źródłem trzeciej harmonicznej. W nowoczesnych konstrukcjach dławik zastępowany jest układem elektronicznym, który pomimo swych zalet także zwiększa odkształcenia prądu. Wprawdzie normy określające zasady dotyczące projektowania i budowy urządzeń oświetleniowych nakazują ograniczanie poziomu 3. harmonicznej do 30%, jednak w praktyce spotyka się urządzenia, w których poziom ten przekracza nawet 80%. Także do urządzeń generujących wyższe harmoniczne zaliczają się piece łukowe oraz agregaty spawalnicze. Zestawienie przykładowych źródeł wyższych harmonicznych zawarto w tablicy 1.

Współczynniki odkształceń i przebiegi odkształcone
Im więcej urządzeń elektronicznych i energoelektronicznych w systemie, tym większe odkształcenia i większe współczynniki określające ich wartość całkowitą THD (ang. Total Harmonic Distortion). W praktyce rozróżnia się współczynnik odkształcenia prądu THD_i oraz współczynnik odkształcenia napięcia THD_u. Na rys. 2 przedstawiono przykładowy sumaryczny przebieg prądu odkształconego, jego składową podstawową oraz 3., 5. i 7. składową harmoniczną. Skalę problemu występowania wyższych harmonicznych ilustruje diagram na rysunku 3.

(...)

Janusz Strzyżewski

Pełna wersja artykułu w EI 1/2015 do zakupu na portalu www.e-czasopismo.pl oraz www.magazyn-online.com