filtracja_i_detekcja.pdf

Filtracja i detekcja

harmonicznych

Spis treÊci

1 Wprowadzenie ..................................................................... 5

1.1 Wy˝sze harmoniczne - definicja i przyczyny wyst´powania .......... 5

1.1.1 Odkszta∏cenie sygna∏u sinusoidalnego.......................................................5

1.1.2 Przyczyny wyst´powania wy˝szych harmonicznych..................................6

1.2 Dlaczego nale˝y wykrywaç i przeciwdzia∏aç odkszta∏ceniu

sygna∏ów? ...................................................................................... 9

1.2.1 Zak∏ócenia powodowane przez wy˝sze harmoniczne................................9

1.2.2 Ekonomiczne konsekwencje zak∏óceƒ .......................................................9

1.2.3 Wzrastajàce znaczenie problemu...............................................................9

1.2.4 Zagadnienie praktyczne: które harmoniczne nale˝y mierzyç

i ograniczaç?...............................................................................................9

2 Najwa˝niejsze wskaêniki odkszta∏cenia oraz zasady ich

pomiaru .................................................................................... 10

2.1 Wspó∏czynnik mocy ...................................................................... 10

2.1.1 Definicja ....................................................................................................10

2.1.2 Interpretacja wartoÊci wspó∏czynnika mocy..............................................10

2.2 Wspó∏czynnik szczytu .................................................................. 10

2.2.1 Definicja ....................................................................................................10

2.2.2 Interpretacja wartoÊci wspó∏czynnika szczytu ..........................................10

2.3 Moce dla przebiegów odkszta∏conych .......................................... 11

2.3.1 Moc czynna...............................................................................................11

2.3.2 Moc bierna................................................................................................11

2.3.3 Moc deformacji .........................................................................................11

2.4 Widmo cz´stotliwoÊciowe i zawartoÊç harmonicznych ................ 12

2.4.1 Podstawy ..................................................................................................12

2.4.2 Procentowa zawartoÊç harmonicznych ....................................................12

2.4.3 Widmo cz´stotliwoÊciowe.........................................................................12

2.4.4 WartoÊç skuteczna ...................................................................................12

2.5 Wspó∏czynnik odkszta∏cenia (THD) .............................................. 13

2.5.1 Definicja wspó∏czynnika odkszta∏cenia.....................................................13

2.5.2 Wspó∏czynnik THD dla pràdu i napi´cia...................................................13

2.5.3 Wspó∏czynnik THF....................................................................................13

2.5.4 Zale˝noÊç pomi´dzy wspó∏czynnikiem mocy a wspó∏czynnikiem THD ...14

2.6 Porównanie przydatnoÊci wskaêników odkszta∏cenia .................. 15

3Pomiar wartoÊci wskaêników .......................................... 16

3.1 Aparatura pomiarowa ................................................................... 16

3.1.1 Wybór aparatury pomiarowej....................................................................16

3.1.2 Funkcje analizatorów cyfrowych...............................................................16

3.1.3 Zasada dzia∏ania analizatorów cyfrowych oraz technika przetwarzania

informacji...................................................................................................16

3.2 Analiza harmoniczna przebiegów w sieci rozdzielczej ................. 17

3.3 Przewidywanie potrzeb w zakresie pomiaru odkszta∏ceƒ ............ 18

3.3.1 Zalety aparatury pomiarowej zainstalowanej na sta∏e..............................18

3.3.2 Zalety zintegrowanej aparatury do pomiaru i detekcji..............................18

4 Wp∏yw odkszta∏cenia przebiegów na instalacj´ ............ 19

4.1 Rezonans ..................................................................................... 19

4.2 Zwi´kszone straty ......................................................................... 20

4.2.1 Straty w przewodach ................................................................................20

4.2.2 Straty w maszynach asynchronicznychs..................................................21

4.2.3 Straty w transformatorach ........................................................................21

4.2.4 Straty w kondensatorach ..........................................................................21

4.3 Przecià˝enia urzàdzeƒ ................................................................. 22

4.3.1 Generatory................................................................................................22

4.3.2 Zasilacze awaryjne UPS...........................................................................22

4.3.3 Transformatory..........................................................................................22

Spis treÊci

4.3.4 Maszyny asynchroniczne..............................................................................

4.3.6 Kondensatory............................................................................................24

4.3.6 Przewody neutralne..................................................................................24

4.4 Wp∏yw na odbiorniki wra˝liwe na zak∏ócenia ............................... 26

4.4.1 Odkszta∏cenie napi´cia zasilania..............................................................26

4.4.2 Zak∏ócenia linii telefonicznych ..................................................................26

4.5 Konsekwencje ekonomiczne ........................................................ 26

4.5.1 Straty mocy...............................................................................................26

4.5.2 Koszty zwiàzane z zamawianiem dodatkowej mocy................................26

4.5.3 Dobór wyposa˝enia o podwy˝szonych parametrach ...............................26

4.5.4 Ograniczenie czasu ˝ycia urzàdzeƒ.........................................................27

4.5.5 Przypadkowe zadzia∏anie zabezpieczeƒ oraz wy∏àczanie instalacji ........27

4.5.6 Przyk∏ady ..................................................................................................27

5 Normy i przepisy wprowadzajàce ................................... 28

5.1 ZgodnoÊç norm dotyczàcych sieci rozdzielczej oraz norm

dla urzàdzeƒ ....................................................................................... 28

5.2 Normy jakoÊci dla sieci rozdzielczej ............................................. 28

5.3 Normy odnoszàce si´ do urzàdzeƒ .............................................. 28

5.4 Maksymalna dopuszczalna zawartoÊç harmonicznych ................ 29

6 Rozwiàzania pozwalajàce na ograniczenie zawartoÊci

wy˝szych harmonicznych ...................................................... 30

6.1 Rozwiàzania ogólne ..................................................................... 30

6.1.1 Umiejscowienie zak∏ócajàcych odbiorników.............................................30

6.1.2 Grupowanie zak∏ócajàcych odbiorników...................................................30

6.1.3 Separacja êród∏a zasilania........................................................................31

6.1.4 Zastosowanie transformatorów o specjalnych rodzajach po∏àczeƒ .........31

6.1.5 Instalowanie d∏awików ..............................................................................31

6.1.6 Wybór odpowiedniego uk∏adu sieci..........................................................32

6.2 Rozwiàzania stosowane po przekroczeniu wartoÊci granicznych 33

6.2.1 Filtry pasywne...........................................................................................33

6.2.2 Filtry aktywne............................................................................................33

6.2.3 Filtry hybrydowe........................................................................................34

6.2.4 Kryteria doboru .........................................................................................35

7 Aparatura firmy Schneider Electric do wykrywania

wy˝szych harmonicznych ...................................................... 36

7.1 Detekcja ........................................................................................ 36

7.1.1 Modu∏y pomiarowe....................................................................................36

7.1.2 Wykorzystanie danych dostarczonych przez modu∏y pomiarowe............37

7.2 Dobór aparatury ............................................................................ 38

8 Rozwiàzywanie problemów odkszta∏cenia przebiegów z

pomocà firmy Schneider Electric.......................................... 40

8.1 Zakres analizy i diagnostyki przeprowadzanej przez specjalistów z

Schneider Electric ............................................................................... 40

8.2 Urzàdzenia do eliminacji wy˝szych harmonicznych oferowane

przez Schneider Electric ..................................................................... 41

8.2.1 Filtry pasywne...........................................................................................41

8.2.2 Filtry aktywne (MGE UPS SYSTEMS) .....................................................41

8.2.3 Filtry hybrydowe........................................................................................41

8.2.4 Dobór filtrów..............................................................................................42

Literatura.................................................................................. 43

Wprowadzenie

1.1 Wy˝sze harmoniczne - definicja

i przyczyny wyst´powania

1.1.1 Odkszta∏cenie sygna∏u sinusoidalnego

Odkszta∏cenie przebiegów pràdu i/lub

napi´cia wy˝szymi harmonicznymi

powoduje zak∏ócenia w sieci rozdzielczej

oraz obni˝enie jakoÊci energii

elektrycznej.

Zgodnie z twierdzeniem Fouriera okresowe funkcje niesinusoidalne mogà byç

reprezentowane poprzez sum´ nast´pujàcych sk∏adników (szereg Fouriera):

sk∏adowej sinusoidalnej o cz´stotliwoÊci podstawowej,

sk∏adowych sinusoidalnych (wy˝szych harmonicznych) o cz´stotliwoÊciach

b´dàcych wielokrotnoÊciami cz´stotliwoÊci podstawowej,

sk∏adowej sta∏ej (mo˝e nie wyst´powaç).

Harmoniczna rz´du n-tego (cz´sto nazywana po prostu n-tà harmonicznà)

sygna∏u jest przebiegiem sinusoidalnym o cz´stotliwoÊci, która jest n razy

wi´ksza od cz´stotliwoÊci podstawowej.

Rozwini´cie funkcji okresowej w szereg Fouriera przedstawiono poni˝ej:

= ∞

y t Yo

( )

sin(

n t

)

Yo: wartoÊç sk∏adowej sta∏ej (DC), najcz´Êciej wynosi zero i tak te˝ przyj´to

w dalszej cz´Êci,

Yn: wartoÊç skuteczna n-tej harmonicznej,

w: pulsacja (cz´stotliwoÊç kàtowa) sk∏adowej podstawowej,

j n : przesuni´cie n-tej harmonicznej dla t = 0 (faza).

Przyk∏adowo dla przebiegów (pràdu i napi´cia) w francuskiej sieci rozdzielczej:

wartoÊç cz´stotliwoÊci podstawowej (harmonicznej pierwszego rz´du) wynosi 50 Hz,

cz´stotliwoÊç drugiej harmonicznej wynosi 100 Hz,

cz´stotliwoÊç trzeciej harmonicznej wynosi 150 Hz,

cz´stotliwoÊç czwartej harmonicznej wynosi 200 Hz,

itd.

Sygna∏ odkszta∏cony jest sumà pewnej liczby harmonicznych.

Rys. 1 przedstawia przyk∏ad odkszta∏conego przebiegu pràdu, zawierajàcego

wy˝sze harmoniczne.

I peak

(I c )

przebieg

wypadkowy

Total

I wart. skut.

sk∏adowa

podstawowa

I h1

harmoniczna

I h3

harmoniczna

I h5

harmoniczna

I h7

Harmonic

9 (450 Hz)

harmoniczna

I h9

Rys. 1 Przyk∏ad odkszta∏conego przebiegu pràdu oraz jego rozk∏ad na poszczególne

harmoniczne – rz´du 1, 3, 5, 7 i 9

ω ϕ

gdzie:

I szczyt.

I rms (I G )

Fundamental

50 Hz

Harmonic

3 (150 Hz)

Harmonic

5 (250 Hz)

Harmonic

7 (350 Hz)

Wprowadzenie

Reprezentacja harmonicznych: widmo cz´stotliwoÊciowe

Widmo cz´stotliwoÊciowe s∏u˝y do graficznego przedstawienia harmonicznych

zawartych w sygnale.

Wykres przedstawia amplitud´ ka˝dej harmonicznej.

Ten rodzaj reprezentacji uzyskuje si´ w wyniku przeprowadzenia analizy

widmowej.

Widmo cz´stotliwoÊciowe pokazuje, które harmoniczne sà obecne w sygnale

i jak du˝y jest ich udzia∏.

Rys. 2 przedstawia widmo cz´stotliwoÊciowe sygna∏u z rys. 1.

(%)

100

150

250

350

450 f(Hz)

Rys. 2. Widmo sygna∏u zawierajàcego sk∏adowà podstawowà o cz´stotliwoÊci 50 Hz oraz

harmoniczne rz´du 3 (150 Hz), 5 (250 Hz), 7 (350 Hz) i 9 (450 Hz).

1.1.2 Przyczyny wyst´powania wy˝szych

harmonicznych

Urzàdzenia powodujàce powstawanie wy˝szych harmonicznych sà u˝ytkowane

przez wszystkich odbiorców: przemys∏owych, komercyjnych i indywidualnych.

Wy˝sze harmoniczne spowodowane sà przez odbiorniki nieliniowe

odbiorniki nieliniowe.

Definicja odbiornika nieliniowego

Odbiornik uznaje si´ za nieliniowy, jeÊli pobierany przez ten odbiornik pràd nie

posiada takiego samego kszta∏tu jak jego napi´cie zasilania.

Przyk∏ady odbiorników nieliniowych

Typowymi odbiornikami nieliniowymi sà urzàdzenia zawierajàce uk∏ady

energoelektroniczne.

Odbiorniki takie sà coraz powszechniej stosowane i ich udzia∏ procentowy

w ogólnym zu˝yciu energii stale roÊnie.

urzàdzenia przemys∏owe (maszyny spawalnicze, piece ∏ukowe, piece

indukcyjne, uk∏ady prostownicze),

nap´dy bezstopniowe dla silników pràdu sta∏ego oraz asynchronicznych,

sprz´t biurowy (komputery PC, kserokopiarki, faksy, itd.),

sprz´t domowy (telewizory, kuchenki mikrofalowe, lampy fluoroscencyjne, itd.)

uk∏ady zasilania awaryjnego - UPS-y.

WejÊcie w stan nasycenia urzàdzenia (dotyczy to przede wszystkim

transformatorów) jest równie˝ przyczynà odkszta∏cenia przebiegów pràdów.

odbiorniki nieliniowe

Przyk∏ady odbiorników nieliniowych:

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: