Harmonischen: remedies

Transcriptie

1 Harmonischen: remedies

2 Harmonischen: remedies - De verbruiker - 12 en 24 pulsige gelijkrichters - Active Front End - Passieve filters - Actieve filters - Hybride filters - Het elektrisch net

3 De verbruiker Ook bij het ontstaan van harmonischen is voorkomen beter dan genezen Het is dus kwestie dat de gebruikers zo weinig mogelijk stroomharmonischen opnemen. We hebben hier al een voorbeeld van gezien: 12-pulsige gelijkrichter in plaats van een 6-pulsige gelijkrichter

4 De verbruiker 12 pulsige gelijkrichter 6 pulsige gelijkrichter

5 De verbruiker spectrum stroom 12-pulsige gelijkrichter spectrum stroom 6-pulsige gelijkrichter

6 De verbruiker De netstroom van een 6-pulsige gelijkrichter bevat harmonischen 6p±1. Door over te stappen van een 6-pulsige gelijkrichter naar een 12-pulsige gelijkrichter is het mogelijk om - de 5 e, 7 e,17 e, 19 e, stroomharmonischen te elimineren - enkel harmonischen met orde 12p±1 te behouden Bij een 24-pulsige gelijkrichter is de netstroom nog beter sinusvormig.

7 De verbruiker Bij een 24-pulsige gelijkrichter is de netstroom nog beter sinusvormig en is het mogelijk om: - enkel harmonischen met orde 24p±1 te behouden. Natuurlijk een 24-pulsige gelijkrichter is complexer en duurder dan een 12-pulsige zoals een 12-pulsige duurder is dan een 6-pulsige. Een 24-pulsige gelijkrichter is nagenoeg enkel relevant voor grotere vermogens.

8 De verbruiker 24-pulsige gelijkrichter = 4 keer een 6-pulsige gelijkrichter over 15 verschoven

9 Harmonischen: remedies - De verbruiker - 12 en 24 pulsige gelijkrichters - Active Front End - Passieve filters - Actieve filters - Hybride filters -Het elektrisch net

10 De verbruiker Bij een frequentie omvormer heb je klassiek een diodegelijkrichterbrug (6-pulsig) gevolgd door een PWM-invertor. Het is mogelijk de diodegelijkrichter te vervangen door een AFE = Active Front End. Dank zij een goede aansturing van de IGBT s (S1, S2, S3, S4, S5, S6) kan een netstroom opgenomen worden die behoorlijk sinusvormig is.

11 De verbruiker Het gebruik van een Active Front End D 1 S 1 D 3 S 3 D 5 S 5 L 1 L 2 L 3 D 4 S 4 D 6 S 6 D 2 S 2 C uitgang s IGBT invertor 3 fasige motor

12 De verbruiker De kost van een Active Front End maak je eigenlijk om drie redenen: - reduceren harmonische inhoud van de netstroom - het kunnen terugsturen van actief vermogen in het net - het kunnen leveren van reactief vermogen

13 Harmonischen: remedies - De verbruiker - Passieve filters -Zelfinducties -Parallel LC-kring -Serie LC-kring - Actieve filters - Hybride filters - Het elektrisch net

14 Passieve filters Stel je hebt een diodegelijkrichterbrug. Deze neemt een niet sinusvormige stroom op bestaande uit: - grondharmonische: wil je behouden - hogere hamonischen: wil je beperken L voedend AC-net L L DC-spanning

15 Passieve filters Tussen het voedende net en de gelijkrichter plaats je in elke fase een zelfinductie. Impedantie van een zelfinductie is evenredig met de frequentie. Zelfinductie laat grondharmonische stroom door. Zelfinductie houdt hogere harmonischen grotendeels tegen. L voedend AC-net L L DC-spanning

16 Passieve filters Als je de zelfinductie L groter dimensioneert, dan - daalt de THD van de stroom - stijgt evenwel de spanningsval over de L - heeft de gelijkrichter te weinig spanning aan de ingang - schakelt de frequentieomvormer zichzelf uit ter beveiliging Dus je kan niet overdrijven.

17 Harmonischen: remedies - De verbruiker - Passieve filters - Zelfinducties - Parallel LC-kring - Serie LC-kring - Actieve filters - Hybride filters - Het elektrisch net

18 Passieve filters Het plaatsen van een zelfinductie L tussen de belasting en het net heeft effect op alle frequenties. Hoe hoger de frequentie, hoe beter de zelfinductie L deze tegenhoudt. Een parallel LC-kring heeft een ander impedantiegedrag. R L C Parallel RLC-kring

19 Passieve filters Z(ω) = Z(ω) R 0,7 R 0,4 R 0,1 R ω ω O - ω O - (ω O /Q P ) ω O - ω O ω O + ω O + (ω O /Q P ) ω O + (3/2)(ω O /Q P ) (1/2)(ω O /Q P ) (1/2)(ω O /Q P ) (3/2)(ω O /Q P ) Impedantie van een parallel RLC-kring

20 Passieve filters De parallel LC-kring heeft een maximale impedantie bij de resonantiefrequentie f 0 = 2π 1 LC Nu kan je L en C zo dimensioneren dat de kring afgestemd is op bijvoorbeeld 250 Hz (de vijfde harmonische) en dergelijke parallel LC-kringen tussen het voedende net en de belasting plaatsen.

21 Passieve filters De schakeling wordt dan: C L voedend AC-net C L DC-spanning C L

22 Passieve filters Stel dat op de grondharmonische na, de vijfde harmonische de grootste harmonische is. De parallel LC-filter is afgestemd op 250 Hz en heeft daar een maximale impedantie. Deze maximale impedantie is in serie geschakeld. De 250 Hz component in de stroom wordt maximaal tegengehouden.

23 Harmonischen: remedies - De verbruiker - Passieve filters - Zelfinducties - Parallel LC-kring - Serie LC-kring - Actieve filters - Hybride filters - Het elektrisch net

24 Passieve filters De serie RLC-kring heeft een minimale impedantie bij de resonantiefrequentie C R L f 0 = 1 2π LC Serie RLC-kring Grote impedantie bij lage frequenties t.g.v. de C Grote impedantie bij hoge frequenties t.g.v. de L

25 Passieve filters R L C f 0 = 2π 1 LC Serie RLC-kring Maar bij de resonantiefrequentie heffen de L en de C elkaar op. De impedantie is MINIMAAL. 1 Z = R+ j( ω0l ) = ωc 0 R

26 Passieve filters De serie LC-filter (of RLC-filter) wordt parallel met de niet-lineaire verbruiker geschakeld. Bemerk de inductiviteit L s van het voedende net.

27 Passieve filters De niet-lineaire belasting neemt bijvoorbeeld een - grondharmonische stroom op - vijfde harmonische stroom op Indien de serie RLC-kring afgestemd is 250 Hz, heeft deze bij 250 Hz een kleinere impedantie dan de netimpedantie (inductiviteit L s ). De stroom wordt door de RLC-kring geleverd, het net moet deze niet meer (bijna niet meer) leveren.

28 Passieve filters Indien het net slechts een heel klein deel van de vijfde harmonische stroom moet leveren, zal - het net geen hinder ondervinden (bijvoorbeeld de voedingstransfo) - er nagenoeg geen vijfde harmonische spanning over L s staan De netspanning wordt dan ook nagenoeg niet vervormd door een 250 Hz component.

29 Passieve filters Men kan meerdere serie LC-kringen in parallel plaatsen. Bijvoorbeeld: - een eerste kring levert de 5 e harmonische - een tweede kring levert de 7 e harmonische - een derde kring levert de 11 e harmonische

30 Harmonischen: remedies - De verbruiker - Passieve filters - Actieve filters - Shuntfilter - Seriefilter - Hybride filters - Hybride filters - Het elektrisch net

31 Actieve filters De opgenomen stroom door de verbruikers varieert vaak; ook de harmonische inhoud van de stroom kan variëren. Het is dan ook handig over filters te beschikking die zich aan de situatie aanpassen. Een actieve shuntfilter kan een oplossing bieden.

32 Actieve filters Bemerk: - Thévenin equivalent voedend net - Norton equivalent belasting (I last is geen sinus) - shuntfilter die stroombron is We wensen - I net sinusvormig

33 Actieve filters Bemerk: - I last is geen sinus Via gepaste I filter, bekomen we dat: - I net sinusvormig

35 Actieve filters Een niet sinusvormige netspanning kan gecompenseerd worden via een actieve seriefilter.

36 Actieve filters Bemerk: - U net is geen sinus Via gepaste U filter, bekomen we dat: - U last sinusvormig is

38 Actieve filters We zagen al twee types actieve filters: - shuntfilter: vooral effectief als belasting een stroombronkarakter heeft - seriefilter: vooral effectief als belasting een spanningsbronkarakter heeft Een hybride filter kan shuntfilter en seriefilter combineren.

39 Harmonischen: remedies - De verbruiker - Passieve filters - Actieve filters - Hybride filters - Het elektrisch net

40 Hybride filters Soms worden ook actieve filters en passieve filters gecombineerd tot een hybride filter.

41 Harmonischen: remedies - De verbruiker - Passieve filters - Actieve filters - Hybride filters -Het elektrisch net - Het herschikking van de gebruikers - De netimpedantie

42 Het elektrisch net Het herconfigureren van de netwerktopologie kan ook een oplossing bieden. Meer specifiek: - in kaart brengen welke (netvervuilende) belastingen er aanwezig zijn - zorgen dat de vervuilende belastingen gespreid zijn over meerdere parallelle circuits

43 Het elektrisch net Als alle vervuilende belastingen bij circuit 1 geplaatst zijn, is - de THD van de stroom in circuit 1 te groot, - de spanning in circuit 1 te veel vervormd. circuit 1 voeding circuit 2 circuit 3

44 Het elektrisch net Als circuit 2 en circuit 3 nauwelijks vervuilende belastingen hebben, kunnen Dan - de vervuilende belastingen verdeeld worden over de drie circuits. - heb je in de drie circuits netvervuiling, maar nergens meer dan toegelaten/aanvaardbaar is.

45 Harmonischen: remedies - De verbruiker - Passieve filters - Actieve filters - Hybride filters -Het elektrisch net - Het herschikking van de gebruikers - De netimpedantie

46 Het elektrisch net Stel een verbruiker neemt een bepaalde stroomvorm op. Stel dat dit niet te wijzigen is. Het net levert - de grondharmonische, - de hogere stroomharmonischen. Ook de hogere stroomharmonischen vloeien door de netimpedantie en - zorgen voor een spanningsval, - zorgen voor een vervorming van de netspanning.

47 Het elektrisch net De vervorming van de netspanning wordt kleiner indien de netimpedantie kleiner is. Een oplossing kan er dus in bestaan de netimpedantie kleiner te maken. Wat bepaalt er de netimpedantie? - de voedingstransformator - het net tussen de transformator en de gebruiker

48 Het elektrisch net Een voedingstransformator met een hoger nominaal vermogen (grotere, zwaardere transfo) heeft een kleinere impedantie. Vervang de voedingstransformator door een transformator met een groter vermogen. Het net tussen de transformator en de verbruiker heeft ondermeer een ohmse weerstand. Maak die kleiner door - grotere draadsectie te gebruiken, - kortere leidingen (indien mogelijk) te gebruiken.

49 Het elektrisch net Plaats de meest vervuilende belastingen dicht bij de voeding. voeding Z 1 Z 2 Z 3 verbruiker De hogere harmonischen vloeien enkel door Z 1 en veroorzaken dus enkel daar een spanningsval. Bij een vervuilende belasting helemaal rechts veroorzaken de hogere stroomharmonischen een spanningsval over Z 1, Z 2 en Z 3.

50 Harmonischen: remedies - De verbruiker - Passieve filters - Actieve filters - Hybride filters -Het elektrisch net

51 Harmonischen: remedies Zijn er vragen??