Układy przekształtnikowe – zastosowania
Negatywne oddziaływanie przekształtników na sieć zasilającą – cz.1 Strona 5 z 7
Negatywne oddziaływanie
przekształtników statycznych na sieć zasilającą
cz. 1
Wstęp.
Przekształtniki statyczne oprócz wielu niewątpliwych zalet posiadają niestety również wady, o których najczęściej nie wiedzą ci, którzy po raz pierwszy spotykają się z tą grupą urządzeń. Pod pojęciem przekształtnik statyczny rozumie się układ służący do przekształcania energii elektrycznej z jednego rodzaju w drugi przy wykorzystaniu właściwości łączeniowych statycznych, bezstykowych łączników jakimi są półprzewodnikowe przyrządy mocy (p.p.m.). Podstawowymi przyrządami mocy w przekształtnikach są tyrystory SCR, tyrystory GTO oraz tranzystory IGBT.
Do podstawowych zalet przekształtników statycznych zalicza się:
-
możliwość dowolnego przekształcania energii elektrycznej przy zachowaniu wysokiego współczynnika sprawności;
korzystne charakterystyki regulacyjne i eksploatacyjne;
natychmiastowa gotowość do pracy;
brak ruchomych części mechanicznych;
małe wymiary i ciężar przekształtnika w stosunku do przekształcanej mocy.
Te cechy zdecydowały o tym, że już od kilkunastu lat przekształtniki statyczne zdecydowanie i skutecznie zaczęłły wypierać elektromaszynowe układy klasyczne. Szacuje się, że w chwili obecnej w krajach wysoko rozwiniętych około 55% wytwarzanej energii elektrycznej jest przekształcana przy pomocy przekształtników statycznych. Wartość ta nadal wykazuje tendencje wzrostowe, co powoduje że znajomość zagadnień związanych ze współpracą przekształtników z siecią zasilającą staje się coraz to bardziej paląca. Wykorzystanie w przekształtnikach sterowanych i niesterowanych elementów nieliniowych w postaci półprzewodnikowych przyrządów mocy sprawia, że przekształtnik wraz z odbiornikiem jako całość stanowi tzw. odbiornik niespokojny, który oprócz poboru prądu odkształconego od przebiegu sinusoidalnego charakteryzuje się szybkozmiennym poborem mocy biernej.
Bezpośrednie aspekty negatywnego oddziaływania przekształtników na sieć zasilającą przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1.
Zjawisko
Stosowane środki zaradcze
pobór prądów odkształconych,
pasywne filtry wyższych harmonicznych w sieci zasilającej, kompensatory mocy odkształcenia (Do); filtry aktywne
szybkozmienny pobór mocy biernej,
układy nadążnej kompensacji mocy biernej,
komutacyjne załomy napięcia sieci,
transformatory przekształtn, dławiki komuta-cyjne.
Wtórnym zjawiskiem, wynikającym z poboru prądów odkształconych i komutacyjnych załomów napięcia jest odkształcenie krzywej napięcia zasilającego. W wyniku tego może dojść do zakłóceń w pracy innych odbiorników zasilanych z tej sieci, pracy układów kontrolno-pomiarowych, układów teletransmisji jak również do zniszczenia baterii kondensatorów do poprawy współczynnika mocy.
W ramach tej części wykładu poruszone zostaną następujące problemy:
1.
Moce w środowisku przebiegów odkształconych.
2.
Parametry charakterystyczne opisujące skutki negatywnego oddziaływania przekształtników na sieć zasilającą.
1. Moc w obwodach o okresowych niesinusoidalnych przebiegach napięć i prądów.
Każda funkcja okresowa (przy spełnieniu warunków Dirichletta może być rozwinięta w szereg Fouriera:
f(t) = A0 + A1m * sin(wt +y1) + A2m * sin(2wt +y2) +..........=
= Akm * sin(k*wt +yk) .
Odkształcony od sinusoidy przebieg u(t) napięcia można zapisać:
u(t) = Ukm * sin(k*wt +yk) .
Przebieg prądu i(t) odkształcony od sinusoidy można zapisać:
i(t) = Ikm * sin(k*wt +yk - jk) .
Moc czynna P takiego obwodu:
u(t) * i(t) dt ; ( wartość średnia mocy);
[ Ukm * sin(k*wt +yk) * Ikm * sin(k*wt +yk - jk)] dt ;
Ponieważ wartość średnia iloczynu dwóch funkcji o różnych częstotliwościach jest równa zero, pozostają więc tylko iloczyny funkcji o jednakowych częstotliwościach.
Moc czynna P wynosi więc:
P = Uk * Ik * cos jk ;
gdzie Uk , Ik, - wartości skuteczne k-tych harmonicznych.
Przez analogię moc bierna Q:
Q = Qk = Uk * Ik * sin jk ;
Moc pozorna S z definicji opisana jest jako:
S = U * I ;
gdzie: U, I - wartości skuteczne odkształconego przebiegu napięcia i prądu.
; .
;
Najczęściej spotykaną w praktyce sytuacją jest pobór prądu odkształconego przez przekształtnik przy sinusiodalnym (lub prawie sinusoidalnym) napięciu zasilającym.
W takich obwodach wyróżnia się następujące rodzaje mocy:
- moc czynna P będąca wynikiem oddziaływania sinusoidalnego przebiegu napięcia (nieodkształconego - jednocześnie 1-sza harmoniczna) z sinusoidalną składową prądu (pierwszą harmoniczną) będącą w fazie z napięciem
P = U1 (I1 * cosj1);
- moc bierna Q (zwana mocą bierną przesunięcia) - będąca wynikiem oddziaływania sinusoidalnego przebiegu napięcia (nieodkształconego - jednocześnie 1-sza harmoniczna) z sinusoidalną składową prądu (pierwszą harmoniczną) prostopadłą do napięcia
Q = U1 (I1 * sinj1);
- moc odkształcenia (deformacji) D0 będąca wynikiem oddziaływania sinusoidalnego przebiegu napięcia (nieodkształconego - jednocześnie 1-sza harmoniczna) z harmonicznymi prądu (za wyjątkiem pierwszej)
D0 = U1 (I2, I3, I4, I5, I6.......... Ik);
- moc pozorna S określona jako:
S2 = P2 + Q2 ...
morny