Efectele armonicelor produse de convertoare

Efectele armonicelor produse de convertoare

1. Efectele armonicelor

In sistemele de actionari electrice moderne, desi tensiunea de alimentare are o forma practic sinusoidala, curba curentului este deformata si se poate descompune in armonici, datorita unor convertoare statice generatoare de armonici superioare cum sunt redresoarele necomandate sau comandate si convertoarele de frecventa directe sau indirecte.

Prezenta armonicilor de curent in infasurarile masinilor electrice de c.c. sau c.a., alimentate de la convertoare statice, conduce la producerea de pierderi suplimentare in infasurari prin efect Joule si in circuitul magnetic prin histerezis si curenti turbionari, precum si la aparitia de cupluri asincrone si pendulare datorita interactiunii armonicelor fluxului si curentului rotoric.

Armonicile superioare ale curentului produse de convertoare statice vor circula in reteaua de alimentare, provocand pierderi suplimentare datorita efectului pelicular si perturbatii importante in retelele de comunicatii.

O consecinta imediata a circulatiei armonicelor curentului in sistemul de alimentare este aparitia armonicelor de tensiune in acest sistem, care sunt proportionale cu impedanta sistemului la frecventa armonicii si se pot propaga in intregul sistem, alimentand alti consumatori.

Aceste armonici de tensiune pot distruge condensatoarele montate pentru imbunatatirea factorului de putere, prin supraincarcarea lor cu curenti de frecventa superioara fundamentalei. De asemenea, ele pot provoca functionarea defectuoasa a instalatiilor de comanda, automatizare si iluminat fluorescent.

Deoarece frecventa armonicilor de curent si de tensiune in sistemele de alimentare au efecte negative, se impune limitarea lor la valori admisibile cu ajutorul dispozitivelor de filtrare.

2. Conditii de racord la reteaua trifazata a redresoarelorcomandate cu tiristoare care alimenteaza motoare de curent continuu, avand in vedere regimul deformant

Desi exista numeroase analize teoretice referitoare la efectul deformant al redresoarelor comandate cu tiristoare asupra tensiunii retelei de alimentare, precizarea prin norme a unor conditii de racord aplicabile in practica este intr-o faza incipienta.

In scopul unei prezentari unitare si cat mai clare se vor explica in continuare fenomenele de baza, se vor interpreta recomandarile existente si se vor face propuneri referitoare la conditiile de racord la retea si masurile ce trebuiesc luate in acest sens.

2.1. Scurta prezentare a efectului deformant

2.1.1. Consumator unic. Armonici injectate in retea

Fenomenul de crestaturi se datoreaza fenomenului de conductie simultana a 2 faze.

Pentru un redresor comandat in stea trifazata se va lua in considerare procesul de comutare a curentului de pe un tiristor pe tiristorul urmatoarei faze in situatia unei sarcini puternic inductive (curentul de sarcina Id practic constant). Tiristorul de pe faza urmatoare continua sa conduca un interval de timp u/w (unde u reprezinta “unghiul de suprapunere” a conductiei celor doua tiristoare) din cauza caracterului inductiv a circuitului de comutare.

In intervalul de suprapunere u, fazele retelei sunt scurtcircuitate datorita conductiei simultane a tiristoarelor de pe aceste faze si potentialul comun al acestor tiristoare devine egal cu potentialul mediu (semisuma) al potentialelor fazelor care comuta, iar tensiunea intre fazele respective la intrarea in steaua de tiristoare devine nula. Apar deci deformari puternice pe forma de unda a tensiunilor la intrarea redresorului comandat cu tiristoare.

2.1.2. Ansamblu de consumatori

Daca alti receptori s-ar conecta pe reteaua la care este conectat si un redresor comandat cu tiristoare, acestora li s-ar aplica o tensiune puternic deformata, ceea ce ar putea perturba functionarea lor. Astfel in cazul altui redresor cu tiristoare s-ar putea ca aprinderea tiristoarelor sa fie impiedicata daca durata impulsului de aprindere nu depaseste durata corespunzatoare unghiului de suprapunere.

Din acest motiv, in cazul unei alimentari comune, redresoarele cu tiristoare nu se racordeaza direct la bornele comune de distributie, ci prin intermediul unor bobine de retea sau transformatoare, a caror inductanta echivalenta de scurtcircuit s-a notat cu Lbt. Inductanta Lbt indeplineste in ansamblu urmatoarele functiuni:

- reduce amplitudinea variatiilor de tensiune la barele de racord in intervalele de comutare, pe care le lateste in schimb; aceasta are ca efect micsorarea in ansamblu a armonicelor de curent, dar in principal a celor de ordin ridicat;

- reduce panta de crestere a curentului di/dt in intervalele de comutare si impreuna cu circuitele RC de protectie reduce si panta de crestere a tensiunii pe tiristoare du/dt;

- reduce amplitudinea curentului de scurtcircuit, ceea ce permite limitarea varfului de curent de catre siguranta ultrarapida la o valoare admisa de tiristor (daca bobina de retea este pe miez de fier, aceasta se satureaza in acest regim, inductanta bobinei reducandu-se la o fractiune redusa din cea nominala, reducerea fiind cu atat mai pronuntata, cu cat intrefierul este mai mic).

Vom examina acum situatia sarcinilor capacitive. Nu se recomanda conectarea directa a unor condensatoare pentru imbunatatirea factorului de putere, intrucat pot intra in rezonanta cu inductante ale sistemului pe frecvente ale armonicelor de curent, injectate de redresoarele cu tiristoare in retea. Din acest motiv, condensatoarele se inseriaza cu inductante, si circuitele rezonante (filtrele) astfel formate se acordeaza pe frecventele armonicelor generate de redresoarele cu tiristoare: 5, 7, 11 si 13. In circuitele de joasa tensiune se prevede de obicei doar filtrul pentru armonica 5.

In ansamblu filtrele de armonici:

- scurtcircuiteaza armonicele pe care sunt acordate, inlaturandu-le din componenta formei de unda a tensiunii de pe bare;

- constituie circuite inductive la frecvente ridicate(condensatoarele prezinta reactante mici in comparatie cu bobinele), care sunteaza inductanta sursei, reducand inductanta echivalenta a acesteia si reducand astfel variatiile mari ale tensiunii la comutare;

- constituie circuite capacitive la frecvente joase, contribuind la imbunatatirea factorului de putere a instalatiei;

- introduc in mod nedorit frecvente de rezonanta in intervalul dintre frecventele de acord, ceea ce prezinta un pericol doar in cazul unor nesimetrii pronuntate intre unghiurile de comanda ale tiristoarelor unui redresor.

2.2. Prescriptii si recomandari referitoare la armonici

Continutul global de armonici (factorul de distorsiune) nu trebuie sa depaseasca 10 . Fiecare din armonicele 5,7,11 si 13 nu trebuie sa depaseasca 5 din valoarea fundamentalei. Depasirea acestor valori nu este admisa de motoarele asincrone si sincrone racordate la aceleasi bare cu redresoarele cu tiristoare. Daca neglijam armonicele de ordin superior si daca fiecare din armonicele mentionate ar reprezenta 5 din valoarea fundamentalei, rezulta tocmai factorul de distorsiune admis de 10