dr in¿. Krzysztof NÊCKA
Katedra Energetyki iAutomatyzacji Procesów Rolniczych Uniwersytet Rolniczy w Krakowie
e-mail: krzysztof.necka@ur.krakow.pl
Streszczenie
W pracy przedstawiono zarejestrowane oscylogramy pr¹du i napiêcia zasilaj¹cego powszechnie stosowane odbiorniki nieliniowe. Dokonano analizy udzia³u poszczególnych wy¿szych harmonicznych (do 15-stej sk³adowej w³¹cznie) w pr¹dzie zasilaj¹cym odbiorniki gospodarstwa domowego i produkcyjnego.
: energia elektryczna; sieæ elektroenergetyczna; tereny wiejskie; zu¿ycie energii; odbiorniki nieliniowe; analiza; Polska
S³owa kluczowe
ANALIZA WYTWARZANIA WY¯SZYCH
HARMONICZNYCH PRZEZ ODBIORNIKI
NIELINIOWE
Wprowadzenie
Cel i zakres pracy
Wyniki badañ
W ostatnich latach, ze wzglêdu na dynamiczny wzrost liczby oraz zachodz¹ce zmiany w strukturze u¿ytkowanych odbiorników obserwuje siê, ¿e coraz bardziej uci¹¿liwe staj¹ siê skutki odkszta³cenia napiêæ w terenowych sieciach rozdzielczych. Ich przyczyn¹ jest intensywny wzrost liczby odbiorników z energoelektronicznymi obwodami wejœcio-wymi, które przekszta³caj¹ energiê elektryczn¹ pr¹du prze-miennego na ten sam rodzaj energii, ale o innych parametrach ni¿ w sieci zasilaj¹cej lub zmieniaj¹ j¹ na napiêcie i pr¹d sta³y. Tego typu urz¹dzenia pozwalaj¹ z jednej strony na zmniej-szenie zu¿ycia energii elektrycznej, ale jednoczeœnie wprowa-dzaj¹ do sieci energetycznej zak³ócenia, które zniekszta³caj¹ przebieg krzywej napiêcia.
Idealne przebiegi napiêæ i pr¹dów w sieciach elektro-energetycznych pr¹du przemiennego maj¹ postaæ sinusoidy, zmieniaj¹cej siê w funkcji czasu, zgodnie z pulsacj¹ , gdzie oznacza czêstotliwoœæ podstawow¹ sieci, która powinna wynosiæ 50Hz % przez 95% tygodnia [5]. Zasilanie nie-liniowych odbiorników powoduje, ¿e kszta³t krzywej napiêcia staje siê sum¹ krzywej o czêstotliwoœci podstawowej i krzy-wych o czêstotliwoœciach bêd¹cych ca³kowit¹ ich wielo-krotnoœci¹.
W celu okreœlenia poziomu zniekszta³ceñ napiêcia konie-czne jest posiadanie wiedzy o poziomie zniekszta³ceñ pr¹do-wych, które s¹ indywidualn¹ cech¹ urz¹dzenia i zwarciowej impedancji uk³adu [4].
Celem pracy by³a analiza udzia³u wy¿szych harmonicznych w pr¹dzie zasilaj¹cym odbiorniki gospodarstwa domowego i produkcyjnego.
Cel pracy zrealizowano w oparciu o wyniki badañ w³asnych polegaj¹cych na pomiarze poziomu poszczególnych wy¿szych harmonicznych w pr¹dzie zasilaj¹cym pojedyncze odbiorniki energii elektrycznej przy u¿yciu analizatora parametrów sieci AS3 - mini. Wykorzystany w badaniach analizator umo¿liwi³ pomiar wy¿szych harmonicznych pr¹dów i napiêæ do 15-stej sk³adowej w³¹cznie.
Wiêkszoœæ wspó³czesnych urz¹dzeñ gospodarstwa domo-wego np. telewizory, ¿arówki energooszczêdne, itp., jak
rów-ù ± 1
=2· ·f f
ð
nie¿ sterowanych odbiorników produkcyjnych pobiera pr¹d w sposób nieliniowy. Jak pokazano na oscylogramach (rys. 1), pr¹d jest pobierany w postaci krótkiego impulsu w ka¿dej po³ówce sinusoidy. Badane urz¹dzenia gospodarstwa domo-wego w przeciwieñstwie do odbiorników produkcyjnych charakteryzuj¹ siê niewielk¹ moc¹ jednostkow¹, której œrednia wartoœæ wynosi³a 180 [W]. Poniewa¿, pracuj¹ one czêsto w tym samym czasie i s¹ bardzo liczne, stanowi¹ one znacz¹ce obci¹-¿enie systemu energetycznego z bardzo odkszta³conym od sinusoidy poborem pr¹du.
Pobór pr¹du odkszta³conego powoduje wzrost jego war-toœci skutecznej ( ) wzglêdem wartoœci dla czêstotliwoœci podstawowej od kilku do kilkudziesiêciu procent (tab. 1). Tak du¿y przyrost wartoœci skutecznej pr¹du dla odbiorników nieliniowych mo¿e byæ przyczyn¹ np. niepo¿¹danego zadzia-³ania wy³¹czników automatycznych a w konsekwencji strat finansowych [1].
Zawartoœæ poszczególnych harmonicznych pr¹du wprowa-dzanych do sieci zasilaj¹cej przez powszechnie stosowane odbiorniki gospodarstwa domowego oraz produkcyjnego, mo¿na przeœledziæ na podstawie badañ zilustrowanych w tab. 1 i 2. Przedstawiaj¹ one wartoœæ sk³adowej podstawowej pobie-ranego pr¹du ( ) dla poszczególnych odbiorników oraz wartoœci pr¹du wy¿szych harmonicznych w procentach sk³ado-wej podstawosk³ado-wej. W kolumnie ostatniej podano skuteczn¹ wartoœæ pobieranego pr¹du ( ), która dla odbiornika syme-trycznego powinna byæ równa sk³adowej podstawowej.
Z przeprowadzonych badañ wynika, ¿e wiêkszoœæ odbior-ników nieliniowych podczas normalnej pracy pobiera pr¹d, w którym wystêpuj¹ wy¿sze harmoniczne nieparzyste. Harmo-niczne parzyste zaobserwowano jedynie w pr¹dzie pobieranym przez kuchenkê mikrofalow¹ oraz podczas za³¹czania ¿arówek energooszczêdnych i rozruchu silnika 3-fazowego z wykorzy-staniem uk³adu ³agodnego rozruchu (software) w celu zmniej-szenia jego pr¹du rozruchowego.
Dla badanych odbiorników energii elektrycznej z wyj¹t-kiem silników, dominuj¹cy jest udzia³ trzeciej harmonicznej. Wartoœæ wzglêdna pr¹du trzeciej harmonicznej zmienia³a siê od 0 do 84% sk³adowej podstawowej
Pr¹dy zawieraj¹ce trzeci¹ harmoniczn¹ oraz bêd¹ce jej wielokrotnoœci¹ s¹ bardzo uci¹¿liwe, poniewa¿ sumuj¹ siê arytmetycznie w sieci, a nie zeruj¹ siê tak, jak dla sk³adowej podstawowej pr¹du i harmonicznych innych rzêdów. W wyniku tego pr¹dy w przewodzie neutralnym s¹ czêsto znacz¹co wiêksze ni¿ pr¹dy fazowe nawet do 170% [2].
I h I RMS 1 RMS
Rys. 1. Oscylogramy pr¹du i napiêcia zasilaj¹cego wybrane odbiorniki gospodarstwa domowego i produkcyjnego (ród³o: badania w³asne)
Fig. 1. Diagrams of the electricity and the tension powering chosen receivers of household and production (Source: own research) Kino domowe
U [V] I [A] U [V] Komputer przenoœny z zasilaczem I [A]
Przemiennik czêstotliwoœci
U [V] I [A] U [V] Rozruch silnika 3-f z softwarem I [A]
Tab. 1. Wartoœci wzglêdne pr¹du wy¿szych harmonicznych nieparzystych w procentach sk³adowej podstawowej Table 1. Relative values of the electricity of odd higher harmonic in per cent of the basic component
telewizor kino domowe komputer stacjonarny laptop z zasilaczem kuchenka mikrofalowa
za³¹czenie ¿arówek energooszczêdnych
odkurzacz obroty max. odkurzacz obroty min. kosiarka do trawy pompa do gnojowicy
rozruch silnika 3-f z softwarem
silnika 3-f z softwarem po okresie rozruchu rozruch silnik 3-f z przemiennikiem czêstotliwoœci ¿arówki energooszczêdne po ustabilizowaniu natê¿enia strumienia œwietlnego Odbiorniki: 0,3 0,2 0,7 0,2 6,0 0,1 4,9 3,1 4,2 2,2 5,6 6,3 1,1 0,2
Numer harmonicznej nieparzystej
h1 [A] h3 h5 h7 h9 h11 h13 h15 [%] 77,0 50,0 82,0 83,6 30,2 67,2 70,4 14,6 66,4 8,0 0,0 6,0 0,0 83,5 43,4 42,4 57,1 66,8 8,0 23,2 0 0 0 0 0 0 0,2 0,0 31,8 4,5 12,0 15,1 10,8 65,7 0,0 0,0 23,0 54,3 3,8 23,2 0,0 17,7 0,0 0,7 5,8 0,5 44,7 0,0 0,0 0,0 0,0 0,3 23,2 0,0 9,4 0,0 0,0 0,8 0,0 22,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 23,2 0,0 4,2 0,0 0,0 2,5 0,0 0,0 0,0 0,0 16,2 0,0 0,0 20 0,0 2,2 0,0 0,0 1,7 0,0 11,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 20 0,0 0,0 0,0 0,0 0,6 0,0 20,5 IRMS[A] 0,4 0,3 1,0 0,3 6,3 0,2 5,0 3,9 4,2 2,2 7,7 6,3 1,7
Tab. 2. Wartoœci wzglêdne pr¹du wy¿szych harmonicznych parzystych w procentach sk³adowej podstawowej Table. 2. Relative values of the electricity of even higher harmonic in per cent of the basic component
kuchenka mikrofalowa
za³¹czenie ¿arówek energooszczêdnych rozruch silnika 3-f z softwarem
Odbiorniki: Numer harmonicznej parzystej [A]
h [%] 12,4 16,2 82,8 2 h [%] 5,6 11,1 34,3 4 h [%] 2,8 16,2 1,9 6 h [%] 0,0 16,2 5,2 8 h [%] 0,0 16,2 2,7 10 h [%] 0,0 11,1 0,0 12 h [%] 0,0 16,2 0,0 14 Wnioski
Stosowanie w gospodarstwach domowych odbiorniki nie-liniowych pobieraj¹ pr¹d o czêstotliwoœci podstawowej oraz o czêstotliwoœciach bêd¹cych jej ca³kowit¹ wielokrotnoœci¹, powoduj¹c pogarszanie jakoœci energii elektrycznej w sieci elektroenergetycznej niskiego napiêcia.
Coraz powszechniejsze wykorzystywanie odbiorników produkcyjnych z energoelektronicznymi obwodami wejœcio-wymi jest równie¿ przyczyn¹ wystêpowania wy¿szych
harmo-nicznych w pr¹dzie pobieranym z sieci elektroenergetycznej. Pobór pr¹du o przebiegu niesinusoidalnie zmiennym powoduje odkszta³cenia napiêcia zasilaj¹cego.
Poniewa¿ liczba u¿ytkowanych odbiorników z energoele-ktronicznymi obwodami wejœciowymi dynamicznie wzrasta, nie wykluczona jest koniecznoœæ kompensowania odkszta³ceñ pr¹du. Jest to jednak przedsiêwziêcie bardzo kosztowne, szcze-gólnie w wiejskich sieciach nN, w której odbiorniki niespo-kojne s¹ bardzo rozproszone.
ANALYSIS OF THE PRODUCTION OF HIGHER HARMONIC THROUGH
NON-LINEAR RECEIVERS
Summary
In this work the recorded courses of electricity and tension powering universally used non-linear receivers were described. The analysis was carried out regarding the participation of individual higher harmonic (to 15-th component inclusive) in the electricity powering the receivers used in household and production.
electric energy; power grid; rural areas; power consumption; non-linear receivers; analysis; Poland Key words:
Literatura
[1] Biskup T., Buhrer C., Grzesik B., Krijgsman J., Michalak J., Pasko Sz., Zygmanowski M.: Power conditioning system with SMES - a way to provide high power quality. Zeszyty Naukowe. Elektryk, Politechnika Œl¹ska, 2004, nr 192. [2] Desmet J., Baggini A.: Dobór przekroju przewodów
neutralnych w instalacjach o wysokiej zawartoœci harmonicznych. Dostêpny w Internecie:
http://www.bttautomatyka.pl/~lm/ssdservice/elektrotechni ka/harmoniczne/kable_i_harmoniczne.pdf
[dostêp 15-01-2011].
[3] IEEE Standard 519-1992. 1993. Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. The Institute of Electrical and Electronics Engineers.
[4] Szymañski J.: Harmoniczne pr¹du wytwarzane przez prostowniki wejœciowe przemienników czêstotliwoœci. Elektryka, 2003, nr 1(6).
[5] Rozporz¹dzenie Ministra Gospodarki z dnia 20 grudnia 2004 r. w sprawie szczegó³owych warunków przy³¹czenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, ruchu sieciowego i eksploatacji sieci oraz standardów jakoœciowych obs³ugi odbiorców. Dz. U. z 2005 r. nr 2, pozycja. 5 i 6.
