ΒΡΕΙΤΕ ΜΑΣ ΣΤΟ FACΕBOOK (Ηλεκτρολογικές Ενημερώσεις) ΚΑΙ ΚΑΝΤΕ LIKE

Σάββατο, 6 Ιουνίου 2015

ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

Ποιότητα ισχύος ηλεκτρικής εγκατάστασης

Η ποιότητα ισχύος αφορά την ποιότητα της τάσης και την ποιότητα του ρεύματος που φθάνει σε μια εγκατάσταση ή ένα φορτίο.

 Η ποιότητα της τάσης εξαρτάται από την ποιότητα της παρεχόμενης ενέργειας και καθορίζεται από την εταιρεία ηλεκτρισμού.
 
Η ποιότητα του ρεύματος έχει να κάνει με τον καταναλωτή, δηλαδή την συμπεριφορά του φορτίου.

Το πρόβλημα των αρμονικών

Τα προηγούμενα χρόνια, τα περισσότερα φορτία ήταν γραμμικά
(επαγωγικοί κινητήρες, αντιστάσεις θέρμανσης, λάμπες πυρακτώσεως) δηλαδή η κυματομορφή της τάσης ήταν ίδια με αυτή του ρεύματος (εικ. 1).

Σήμερα, όμως, χρησιμοποιούνται ευρέως φορτία 
μη γραμμικά (εικ. 2), τα οποία όταν συνδέονται με μία πηγή τάσης ημιτονοειδούς μορφής άγουν ρεύμα μη ημιτονοειδούς μορφής.

 Το φαινόμενο αυτό έχει ως αποτέλεσμα την μόλυνση του δικτύου με αρμονικές και ειδικότερα με 
συνιστώσες του ρεύματος σε συχνότητες πολλαπλάσιες των 50 Hz (2ης,3ης,4ης, 5ης, ...μέχρι την 49ης τάξης) και συχνότητας αντίστοιχα (100Hz, 150Hz, 200Hz μέχρι 2550Ηz) οι οποίες διαρρέουν τα καλώδια τροφοδοσίας των φορτίων και πλήττουν ολόκληρη την ηλεκτρική εγκατάσταση.
Τα προβλήματα τα δημιουργούν συνήθως οι 3η,5η και 7η αρμονική

Οι αρμονικές δημιουργούνται από: 

τους ρυθμιστές στροφών κινητήρων,
τις ηλεκτροσυγκολλήσεις,
τα  UPS,
τα ηλεκτρονικά ballast,
τους λαμπτήρες εκκένωσης,
 τα τροφοδοτικά των υπολογιστών, τους επαγωγικούς φούρνους κ.λπ.

Εάν έχουμε π.χ ένα πλυντήριο στο οποίο παρόλο που του δίνουμε ημιτονοειδές ρεύμα, αυτό τραβάει μη ημιτονοειδές. 

Υπάρχουν οι χαρακτηρισμοί:

• Περιττές αρμονικές (5η, 7η, ...)

• Άρτιες αρμονικές (2η, 4η, ...)
• Τριπλές αρμονικές (3η, 9η, 15η, ...)



1. Όλα τα μη γραμμικά φορτία δεν παράγουν το ίδιο εύρος αρμονικών.

2. Οι συνηθέστερες αρμονικές είναι περιττής τάξης (3ης, 5ης, 7ης, κλπ). 




Άρα οι αρμονικές είναι ημιτονοειδής συνιστώσες του εναλλασσομένου ρεύματος διαφορετικής συχνότητας οι οποίες παραμορφώνουν την καθαρή ημιτονοειδή κυματομορφή του.

Το τμήμα του εξοπλισμού που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια απ’ευθείας σε θερμότητα αξιοποιεί την ενέργεια των αρμονικών και έτσι δεν υπάρχει πρόβλημα.
Το πιο ευαίσθητο τμήμα του εξοπλισμού είναι αυτό που σχεδιάστηκε έτσι ώστε να δέχεται μια τέλεια ημιτονοειδή είσοδο (εφαρμογές τηλεπικοινωνιών και επεξεργασίας δεδομένων).
Οι κινητήρες βρίσκονται σε μια κατηγορία που βρίσκεται σε ένα ενδιάμεσο επίπεδο καθώς επηρεάζονται αρκετά από το αρμονικό περιεχόμενο.
Ακόμα όμως και στις περιπτώσεις φορτίων που επηρεάζονται λιγότερο από τις ανώτερες αρμονικές, αυτές μπορούν να αποβούν επιβλαβείς. Για παράδειγμα σε ένα ωμικό φορτίο μπορούν να προκαλέσουν θέρμανση του διηλεκτρικού ή αύξηση της τιμής της τάσης με αποτέλεσμα να επέλθει γήρανση στη μόνωση.


Στο πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζεται η κυματομορφή και η αρμονική παραμόρφωση για διάφορα είδη φορτίων



Τέλος, τα προβλήματα που δημιουργούνται από τις αρμονικές στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις είναι: 

η μείωση του συνφ,
οι αυξημένες απώλειες στα καλώδια
ο συντονισμός
η καταστροφή πυκνωτών και μετασχηματιστών
 φρενάρισμα των κινητήρων και αύξηση απωλειών σε κινητήρες
οι παρεμβολές σε κυκλώματα ελέγχου και τηλεπικοινωνιών...
Καταπόνηση του ουδέτερου αγωγού

Αναλυτικότερα

1. 
Οι µετασχηµατιστές υπερθερµαίνονται λόγω της αύξησης των απωλειών χαλκού και σιδήρου. Επίσης, καταπονούνται µηχανικά µε αποτέλεσµα να υπάρχουν σε αυξηµένο βαθµό δονήσεις και θόρυβος κατά τη λειτουργία τους.
2. Ο ουδέτερος αγωγός υπερφορτίζεται, καθώς το διανυσµατικό άθροισµα των ρευµάτων που τον διαρρέουν δεν είναι πλέον ίσο µε µηδέν (περίπτωση συµµετρικών φορτίων) με αποτέλεσμα ο ουδέτερος να διαρρέεται από ρεύμα.
Έτσι ενώ σε παλαιές εγκαταστάσεις είχαμε τη δυνατότητα να μειώσουμε τη διατομή του ουδετέρου, στις νέες αυτό δεν συμβαίνει.
Στο εξωτερικό αντί των πενταπολικών καλωδίων υπάρχουν τα εξαπολικά καλώδια με 2 αγωγούς ουδετέρου γιατί η διατομή του θα πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια των αγωγών των φάσεων.Στην Ελβετία είναι τριπλάσια και έχουν επταπολικά καλώδια με 3 αγωγούς ουδετέρου.
Αυτό γιατί επειδή που από τη στιγμή που ο αγωγός του ουδετέρου διαρρέεται από ρεύμα σημαντικά μεγαλύτερο από αυτό που έχουμε εκτιμήσει, ζεσταίνεται και η μόνωσή του καταπονείται και φθείρεται γρηγορότερα.

Σε τριφασικά κυκλώματα με ουδέτερο, οι εντάσεις των ρευμάτων της τρίτης αρμονικής καθώς και των μεγαλύτερων, περιττών, πολλαπλάσιων της τρίτης, συνιστωσών της φέρουσας των 50 Hz, που είναι γνωστές και σαν ομοπολικές ή τριπλές αρμονικές (3ης, 9ης, 15ης τάξης κ.ο.κ) αθροίζονται αριθμητικά, ως επιστροφές στον ουδέτερο αγωγό.

Σε περίπτωση τριφασικών συμμετρικών μη γραμμικών φορτίων, το ρεύμα επιστροφής του ουδετέρου δίνεται από τον τύπο: 


3. Υπάρχουσες διατάξεις πυκνωτών που κινδυνεύουν να καταστραφούν, σε περιπτώσεις όπου ο κλάδος στον οποίο συνδέονται, εµφανίζει ίδια συχνότητα µε κάποιες από τις αρµονικές που υπάρχουν στο δίκτυο. Στην περίπτωση αυτή, η σύνθετη αντίσταση του συγκεκριµένου κλάδου ελαχιστοποιείται µε αποτέλεσµα να αυξάνει κατά πολύ το ρεύµα που τον διαρρέει. Έτσι το πλάτος των αρµονικών αυξάνεται (ηλεκτρική ταλάντωση), αυξάνεται η ενεργός τάση και ένταση, οι πυκνωτές υπερθερµαίνονται και ενδέχεται είτε να καταστραφεί το διηλεκτρικό τους υλικό είτε να λιώσουν οι ασφάλειες τους µε αποτέλεσµα τη θέση τους εκτός λειτουργίας.


Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει την κατά προσέγγιση συχνότητα συντονισμού (σαν πολλαπλάσιο των 50 Hz) για διάφορες τιμές της συνολικής χωρητικής αντιστάθμισης (σε βήματα των 50 kVAr) και για μετασχηματιστή 2000 kVA.

Είναι φανερό από το  γράφημα ότι: 

για 1350 kVAr έχουμε συντονισμό στην 5η αρμονική, 
για 700 kVAr, έχουμε συντονισμό στην 7η αρμονική, 
για 400 kVAr, έχουμε συντονισμό στην 9η αρμονική, 
για 300 kVAr, έχουμε συντονισμό στην 11η αρμονική, 
για 200 kVAr, έχουμε συντονισμό στην 13η αρμονική, 
για 150 kVAr, έχουμε συντονισμό στην 15η αρμονική. 

Αυτό είναι απλώς ένα παράδειγμα εφόσον ο μετασχηματιστής είναι 2000 kVA. Για άλλους μετασχηματιστές προκύπτουν διαφορετικές τιμές.

4. Τα µέσα ζεύξης & προστασίας φθείρονται και είναι πιθανό να λειτουργήσουν ανεπιθύµητα, ιδιαίτερα αν η αρχή λειτουργίας τους στηρίζεται σε θερµικά µοντέλα ή για τον υπολογισµό της ενεργούς τιµής της έντασης χρησιµοποιείται το πλάτος της κυµατοµορφής της, το οποίο είναι στην περίπτωση αυτή παραµορφωµένο.

5. Κινητήρες και γεννήτριες: Οι αρμονικές στις επαγωγικές και σύγχρονες μηχανές αυξάνουν τη θερμοκρασία τους. Αυτό είναι αποτέλεσμα των απωλειών που οφείλεται στιες απώλειες σιδήρου και χαλκού που εμφανίζονται στις αρμονικές συχνότητες. Η αύξηση της θερμοκρασίας λόγω των απωλειών μειώνει την απόδοσή τους καθώς και τη δυνατότητα ανάπτυξης ροπής.

Πιο συγκεκριμένα:

Οι αρμονικές ρεύματος σε μια μηχανή αυξάνουν την εκπομπή θορύβου στις ακουστικές συχνότητες έναντι της λειτουργίας με ημιτονοειδή διέγερση. Επιπροσθέτως οι αρμονικές δημιουργούν προβλήματα στην εκκίνηση των μηχανών γιατί παράγουν μια μαγνητική ροή η οποία κατανέμεται στο διάκενο αυτών.
Η 5η και 7η αρμονική έχουν τη τάση να δημιουργούν μηχανικές ταλαντώσεις σε συστήματα όπως στο σύστημα στρόβιλος-γεννήτρια και κινητήρας-φορτίο. Οι μηχανικές αυτές ταλαντώσεις οφείλονται στις αρμονικές ροπής που προκύπτουν από την αλληλεπίδραση των αρμονικών ρεύματος και του μαγνητικού πεδίου της θεμελιώδους συχνότητας (βασική αρμονική). Αν η συχνότητα του μηχανικού συντονισμού βρίσκεται κοντά στη συχνότητα της ηλεκτρικής διέγερσης, τότε αναπτύσσονται πολύ ισχυρές δυνάμεις.

Εκτός από τις προηγούμενες επιπτώσεις οι ανώτερες αρμονικές έχουν σαν αποτέλεσμα τη ροή αρμονικών ρευμάτων στο δρομέα της μηχανής. Η ροή ρεύματος στο στάτη δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στο διάκενο που με τη σειρά του θα προκαλέσει ροή ρεύματος στο δρομέα. Ανάλογα με το αν η αρμονική εμφανίζεται με θετική ή αρνητική ακολουθία θα προκαλέσει περιστροφή του δρομέα κατά την αντίστοιχη φορά, με αποτέλεσμα να αντιτίθεται στη φορά περιστροφής των κινητήρων και να τους φρενάρει.

Το φρενάρισμα του κινητήρα έχει σαν αποτέλεσμα την καταπόνηση των ρουλεμάν και το σκάψιμο της φωλιάς του ρουλεμάν στο καπάκι. Έτσι μετά σύντομο χρονικό διάστημα χάνεται η ευθυγράμμιση του κινητήρα με το φορτίο.

6. Η λειτουργία του ηλεκτρονικού εξοπλισµού καθίσταται αναξιόπιστη.
 
Οι αρμονικές μεγάλης συχνότητας δημιουργούν προβλήματα ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών σε δίκτυα τηλεπικοινωνιών και ειδικά σε βιομηχανικούς χώρους στην λειτουργία των διαφόρων ηλεκτρονικών συστημάτων ελέγχου (προβλήματα στα PLC, λανθασμένες εντολές ελέγχου, κλπ). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση των νεκρών χρόνων από δυσλειτουργία των ηλεκτρονικών συστημάτων και επομένως αύξηση του κόστους συντήρησης.
Οι υπολογιστές και τα PLC απαιτούν τροφοδοσία με αρμονικό περιεχόμενο τάσεων μικρότερο από 5%, με τη βασική αρμονική μικρότερη του 3% της ονομαστικής τάσης λειτουργίας

7. Σηµειώνονται λανθασµένες καταγραφές ηλεκτρικών µεγεθών από τις µετρητικές διατάξεις.


8. 
Γίνεται σπατάλη ενέργειας µε αποτέλεσµα οι λογαριασµοί κατανάλωσης ενέργειας να είναι υψηλότεροι.


9. Μειώνεται η εφεδρεία της ηλεκτρικής εγκατάστασης, καθώς τα ρεύµατα που διαρρέουν τα καλώδια και τους ηλεκτρικούς πίνακες, είναι σηµαντικά µεγαλύτερα λόγω των αρµονικών.

10. Ηλεκτρονόμοι: Έχει παρατηρηθεί ότι ένα ποσοστό αρμονικών της τάξεως του 10% με 20% μπορεί να προκαλέσει καθυστερημένη ή πρόωρη ενεργοποίηση των ρελέ

11. Inverters: Τα Inverters από τη φύση τους εισάγουν ανώτερες αρμονικές στο δίκτυο που ανήκουν. Τα Inverters επηρεάζονται από τις αρμονικές που παράγουν οι ίδιοι αλλά και από τις αρμονικές που παράγουν άλλες συνιστώσες του δικτύου.

Οι ανώτερες αρμονικές προκαλούν θερμική καταπόνηση σε κάποια στοιχεία του μετατροπέα αλλά είναι πιθανό να περάσουν και στη πλευρά του φορτίου. Στη περίπτωση που η είσοδος του μετατροπέα έχει αρμονικό περιεχόμενο, υπάρχει το ενδεχόμενο να έχουμε ετεροχρονισμένες εναύσεις ημιαγωγών στοιχείων, λανθασμένες μεταβάσεις ρεύματος, ή απλώς μια παραμόρφωση σε σχέση με την αναμενόμενη έξοδο. 

 Η συνολική παρουσία αρμονικών εκφράζεται με το συντελεστή συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης (THD), (Τοtal Harmonic Distortion) ο οποίος δείχνει πόσο διαταραγμένη είναι η φέρουσα κυματομορφή:

THD(%) =      (I3%)2 + (I5%)2 + (I7%)2+. . .

Ο συντελεστής συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης (THD) λαμβάνει υπόψη τη συνεισφορά όλων των αρμονικών, εκφράζεται ως ποσοστό επί τοις εκατό σε σχέση με τη θεμελιώδη κυματομορφή  και είναι ένας έγκυρος δείκτης ύπαρξης αρμονικών στο δίκτυο.

Πότε θα πρέπει να κάνουμε μία βαθύτερη ανάλυση των αρμονικών:

1.Σε κάθε περίπτωση που επιθυμούμε μείωση κατανάλωσης.
2.Όταν υπάρχει συχνή & αδικαιολόγητη ενεργοποίηση των ρελέ διαφυγής!
3.Όταν υπερθερμαίνεται ο ουδέτερος (καλώδια, αυτόματοι διακόπτες κλπ.)
4.Όταν υπάρχει συχνή αστοχία των πυκνωτών του συστήματος διόρθωσης Συντελεστή Ισχύος.
5.Όταν ηλεκτρονικές διατάξεις αστοχούν ή, πολύ χειρότερα, "καίγονται" χωρίς προφανή αιτία.
6.Όταν ο Μετασχηματιστής "βουίζει" παράξενα & υπερθερμαίνεται (σε κανονικές συνθήκες ο παραγόμενος θόρυβος θα πρέπει να είναι ΠΟΛΥ χαμηλός!)

Ποια είναι η πρώτη κίνηση: μα, φυσικά, η μέτρηση και η καταγραφή! 
Τι σημαίνει καταγραφή; Η εγκατάσταση εξειδικευμένων συστημάτων (hardware + software) που καταγράφουν τις αρμονικές (τάσης & ρεύματος).

Μέχρι ποια αρμονική πρέπει να καταγράφεται; 
Τουλάχιστον μέχρι την 30η (τα παλμοτροφοδοτικά "μολύνουν" το δίκτυο με αρμονική 29ης τάξεως!

Το THD (Total Harmonic Distortion) είναι αρκετό; :OXI, αποτελεί μόνο μία ΕΝΔΕΙΞΗ. Σκοπός είναι η ανάλυση φάσματος αρμονικών (spectrum analysis):


Η ανάλυση των αρμονικών με την απεικόνιση του φάσματος καθώς και τον υπολογισμό του THD (total harmonic distortion – συντελεστής αρμονικής παραμόρφωσης), είναι άλλη μια δυνατότητα που παρέχεται από τα όργανα μέτρησης της ποιότητας ισχύος. 
Εάν το THD της τάσης είναι μικρότερο του 5% και δεν παρατηρούνται μεγάλες τιμές ανωτέρων αρμονικών, το επίπεδο αρμονικών διαταραχών είναι ικανοποιητικό

Εδώ μπορείτε να δείτε τη διαστασιολόγηση του ουδέτερου αγωγού σε ηλεκτρική εγκατάσταση με αρμονικές


Φίλτρα απόσβεσης αρμονικών

Τα φίλτρα απόσβεσης αρμονικών είναι συστήματα τα οποία παγιδεύουν τις αρμονικές και δεν τις επιτρέπουν να διεισδύσουν στο δίκτυο.

 Αποτελούνται από συνδυασμό πηνίων και ειδικών πυκνωτών κατάλληλα διαστασιολογημένων, ώστε να συντονίζουν (να ελαχιστοποιούν τη σύνθετη αντίδρασή τους) σε επιλεγμένες συχνότητες και διαχωρίζονται σε βαθμίδες.

Έχουν τη δυνατότητα ελέγχου από ρυθμιστή ο οποίος ανάλογα με τη ζήτηση του φορτίου είτε βάζει εντός, είτε θέτει εκτός βαθμίδες πηνίων –πυκνωτών, ούτως ώστε να αποφεύγεται το φαινόμενο της υπεραντιστάθμισης.

  

Τοπικά φίλτρα

Τοπικό φίλτρο το οποίο εγκαθίσταται σε μηχανή με μη γραμμικό φορτίο. Το φίλτρο παρέχει και τοπική αντιστάθμιση άεργης ισχύος (βελτιώνει το τοπικό cosφ) και απορροφά μέρος ή σύνολο των αρμονικών. Αυτά τα φίλτρα είναι σταθερά, και ακολουθούν την λειτουργία της αντίστοιχης μηχανής, δηλαδή ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται αντίστοιχα με την μηχανή. Το φυσικό μέγεθος ενός φίλτρου π.χ. 5 kVAr, 7%, είναι 450x600x270 mm και φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Είναι προφανές ότι μία τέτοια κατασκευή μπορεί να εγκατασταθεί επάνω σε μία μηχανή.

Τοπικά Φίλτρα

Κεντρικά φίλτρα
Εγκαθίστανται σε μερικούς ή γενικούς ηλεκτρικούς πίνακες και ελέγχουν τις αρμονικές και την άεργο ισχύ του φορτίου του πίνακα.  Τα φίλτρα αυτά μπορεί να είναι ρυθμιζόμενα όσον αφορά την ισχύ τους. Η ρύθμιση της ισχύος τους γίνεται με κοινούς ρυθμιστές cosφ με στόχο την επίτευξη cosφ μεγαλύτερου του 0,97 στον αντίστοιχο πίνακα.

Κεντρικά φίλτρα
Όπως είπε εύστοχα ο J.B Fisken στα 1916:όλοι συμφωνούμε ότι υπάρχουν αρμονικές.'Οπως οι φτωχοί οι αρμονικές θα είναι πάντα μαζί μας.Αν θα ήταν δυνατό να εκλείψουν θα ήμασταν πολύ ευχαριστημένοι.