masuratori-calitatea-energiei-electrice

Calitatea energiei electrice și problemele generate de armonici

calitatea-energiei-electriceUn mister ascuns provoacă în instalația electrică de utilizare a unităților de producție și clădirilor de birouri fenomene inexplicabile, care afectează calitatea energiei electrice:

  • Supraîncărcarea conductorului de nul de lucru
  • Funcționarea nedorită a aparatelor de protecție
  • Supraîncălzirea transformatoarelor la sarcini moderate
  • Deformarea curbei de tensiune
  • Suprasolicitarea condensatoarelor pentru corecţia factorului de putere
  • Supraîncălzirea conductoarelor cauzată de efectul pelicular
  • Subîncărcarea motoarelor cauzată de asimetria de tensiune

Problema? ARMONICILE.

Armonicile sunt produse secundare ale electronicii moderne. Sunt răspândite mai ales acolo unde există un număr mare de tehnică de calcul și acţionări cu viteză variabilă. Practic, toate echipamentele electrice şi electronice moderne au surse în comutaţie sau controlează într-un fel sau altul puterea absorbită şi, astfel, rezultă ca sarcini neliniare. O alimentare perfectă cu energie electrică este aceea care este întotdeauna disponibilă, cu tensiunea şi frecvenţa în limitele admisibile şi cu o curbă de tensiune perfect sinusoidală. Întreruperile în furnizarea energiei constituie cea mai importantă componentă a calităţii energiei electrice furnizate. O tensiune de calitate slabă constituie o cheltuială ascunsă. De obicei, aceasta este nedetectată și nediagnosticată atât timp cât nu apar defecțiuni costisitoare.

Cauze şi efecte

Când vorbim despre armonici în instalaţiile electrice ne referim în principal la curenţi deoarece armonicile rezultă din cauza curenţilor şi cea mai mare parte a efectelor nocive este cauzată de acești curenţi. Frecvenţele armonicilor sunt multipli întregi ai frecvenţei fundamentale de alimentare. Suprapunerea curenților armonicii peste curentul fundamental determină forme de undă nesinusoidale asociate cu sarcini neliniare. Sarcinile liniare sunt relativ rare, lămpile incandescente necontrolate şi sistemele necontrolate de încălzire fiind singurele exemple.

probleme-armonici
Fig. 1 – Probleme generate de armonici

În captura de ecran prezentată în figura de mai sus, curba verde corespunde armonicilor de curent prezenți în instalație. Curba roșie indică semnalul de tensiune al rețelei distorsionat. Se observă foarte clar că semnalul armonic de curent atinge amplitudini mari, ceea ce generează o cădere de tensiune.

Tipuri de echipamente care generează armonici

Curenţii armonici sunt generaţi de sarcini neliniare. Acestea includ sarcini monofazate și trifazate, precum:

  • calculatoare, faxuri, lămpi cu descărcare
  • balasturi electronice pentru lămpile fluorescente
  • unităţi mici de alimentare neîntreruptibilă (UPS)
  • acţionări cu viteză variabilă
  • unităţi mari UPS
  • cuptoare industriale cu arc
  • încărcătoare (redresoare) pentru acumulatorii electrici

Probleme determinate de curenții armonici


  • Supraîncărcarea conductorului de nul de lucru

Într-un sistem trifazat, curbele de tensiune ale fiecărei faze în raport cu punctul neutru al conexiunii în stea sunt defazate cu 120°. Astfel, dacă fiecare fază este egal încărcată, curentul rezultant pe neutru este zero. Dacă sarcinile nu sunt echilibrate, pe neutru se transmite numai rezultanta sumei curenţilor de întoarcere, iar curenţii armonici cu rang multiplu de trei se adună în conductorul neutru. Acest lucru duce la un curent care circulă prin neutru și care adesea este la 120%-130% din curenții de fază. Acest efect este ilustrat în figura 2, unde curenţii pe fază, prezentaţi în partea de sus, sunt defazaţi la 120°.

supraincarcare-conductor-nul
Fig. 2 − Curenţii armonici cu rang multiplu de trei se adună în conductorul neutru

Soluţia simplă, acolo unde sunt utilizate cabluri monoconductoare, este să se realizeze dublarea secţiunii neutrului fie ca două conductoare separate, fie ca un singur conductor cu secţiune mai mare.


  • Supraîncălzirea transformatoarelor la sarcini moderate

Transformatoarele sunt afectate de armonici pe două căi. În primul rând, pierderile prin curenţi Foucault, reprezentând în mod normal aproximativ 10% din pierderile la sarcină nominală, cresc cu pătratul rangului armonicii. În practică, pentru un transformator funcţionând la puterea nominală şi care alimentează sarcini neliniare, pierderile totale vor fi de două ori mai mari decât în cazul alimentării unei sarcini liniare. Rezultatul este o temperatură mult mai ridicată care conduce la o reducere corespunzătoare a duratei de viaţă.

supraincalzire-transformator
Fig. 3 – Imagine în infraroșu a unui transformator supraîncălzit la sarcină moderată

Cel de-al doilea efect se referă la armonicile cu rang multiplu de trei. Ele se regăsesc în toate fazele înfăşurării unui transformator cu conexiune triunghi, acestea având un traseu circular în înfăşurări. Curenţii armonici cu rang multiplu de trei sunt efectiv absorbiţi de înfăşurare şi nu se propagă spre alimentare. Astfel, transformatoarele cu înfăşurare triunghi sunt utile ca transformatoare de izolare. De precizat că celelalte armonici, care nu au rang multiplu de trei, trec prin înfăşurare.


  • Funcţionarea nedorită a aparatelor de protecție

Întrerupătoarele pentru curentul diferenţial rezidual (RCD) acţionează pe baza însumării curentului de fază şi de neutru şi, dacă diferenţa nu este sub limita fixată, deconectează sarcina. Declanşarea intempestivă poate să apară în prezenţa armonicilor din două cauze. În primul rând, întreruptorul, fiind un dispozitiv electromecanic, poate să nu adune corect componentele de înaltă frecvenţă. Ca urmare, declanşează greşit. În al doilea rând, tipul de echipament care generează armonici produce şi un zgomot datorat comutaţiei care trebuie filtrat înainte de conectarea la alimentare. Filtrele utilizate în acest scop au, în mod normal, câte un condensator între fază şi pământ şi între conductorul neutru şi pământ. Drept urmare, va exista o mică scurgere de curent spre pământ.

Declanşarea intempestivă a întreruptoarelor este cauzată de obicei de curenţi în circuit care sunt mai mari decât cei calculaţi sau măsuraţi, din cauza prezenţei curenţilor armonici. Cele mai multe instrumente portabile nu măsoară valoarea efectivă adevărată şi pot subestima curenţii nesinusoidali cu 40%.


  • Suprasolicitarea condensatoarelor pentru corecţia factorului de putere
suprasolicitare-condensatori
Fig. 4 – Condensatori deteriorați de prezența armonicilor în instalație

Condensatoarele pentru corectarea factorului de putere sunt prevăzute să genereze un curent defazat înaintea tensiunii pentru a compensa un curent defazat în urma tensiunii cauzat de o sarcină inductivă, ca de exemplu un motor asincron. Impedanţa condensatorului scade odată cu creşterea frecvenţei în timp ce impedanţa sursei, care este în general inductivă, creşte cu frecvenţa. Este deci probabil ca prin condensator să treacă curenţi armonici foarte mari şi pot să apară deteriorări dacă el nu a fost conceput să îi suporte.

O problemă potenţial mai serioasă care poate apărea pentru o frecvenţă armonică sau aproape de aceasta este rezonanţa între condensator şi reactanţa de scăpări a sistemului de alimentare (ceea ce se poate produce, evident, la frecvenţe cu interval de 100 Hz). Când aceasta are loc pot fi generate tensiuni şi curenţi foarte mari, adesea conducând la avarii catastrofale ale condensatorului (ca în figura 4). Rezonanţa poate fi evitată prin introducerea unei bobine în serie cu condensatorul, astfel încât combinaţia rămâne inductivă, cel puţin pentru armonica semnificativă cu rangul cel mai mic. Această soluţie limitează totodată curentul armonic care poate circula în condensator. Inductivitatea bobinei poate fi o problemă, în special când sunt prezente armonici de rang mic.


  • Supraîncălzirea conductoarelor cauzată de efectul pelicular

Curentul alternativ are tendinţa de a circula la suprafaţa conductorului. Acest fenomen este cunoscut sub denumirea de efect pelicular şi este mai pronunţat la frecvenţe înalte. Efectul pelicular este în mod normal ignorat deoarece are un efect foarte mic la frecvenţa nominală de alimentare, dar la peste 350 Hz, adică de la armonica 7, efectul pelicular devine important, provocând pierderi suplimentare şi încălzire în conductoarele de alimentare (ca în figura 5).  Acolo unde există curenţi armonici, proiectanţii trebuie să ţină seama de efectul pelicular şi să descarce cablurile în concordanţă cu acesta. Utilizarea cablurilor multifilare sau a barelor laminate contribuie la rezolvarea acestei probleme.

supraincalzire-conductor-efect-pelicular
Fig. 5 – Supraîncălzirea conductoarelor din cauza efectului pelicular

  • Deformarea curbei de tensiune

Curentul de sarcină deformat, generat de sarcina nelineară, determină o cădere de tensiune deformată pe impedanţa cablurilor. Tensiunea deformată rezultată se aplică tuturor sarcinilor conectate la acelaşi circuit, producând curenţi armonici care circulă prin acestea chiar dacă ele sunt sarcini liniare, așa cum apare în figura 6.

deformare-curba-tensiune
Fig. 6 – Deformarea curbei de tensiune

La analiza nivelului de distorsiune a tensiunii armonice, trebuie să reamintim că, atunci când sarcina este transferată la un UPS sau un generator de rezervă în timpul unei întreruperi, impedanţa sursei şi distorsiunea de tensiune rezultată sunt mult mai mari.


  • Subîncărcarea motoarelor cauzată de asimetria de tensiune şi armonicilor de tensiune
subincarcare-motoare
Fig. 7 – Supraîncălzirea motoarelor din cauza armonicilor de tensiune

Tensiunile armonice produc în motoarele de inducţie o creştere a pierderilor prin curenţi Foucault, în acelaşi mod ca şi în cazul transformatoarelor. În plus, apar pierderi suplimentare din pricina generării de câmpuri armonice în stator, fiecare dintre acestea având tendinţa de a roti motorul cu o altă viteză, într-un sens sau altul. Curenţii de frecvenţă înaltă induşi în rotor conduc la creşterea suplimentară a pierderilor și a temperaturii în înfășurări ca în figura 7.

Concluzii

Aceste evenimente de calitate a energiei întrerup multe procese sensibile și scurtează durata de viață utilă a echipamentelor, determinând cheltuieli inutile sub formă de soluții implementate la problemele diagnosticate greșit. Nivelul exact al abaterilor de la alimentarea perfectă, care pot fi admise depind de aplicaţia utilizatorului, de tipul de echipament instalat şi de percepţia sa asupra condiţiilor necesare.

Industria energiei electrice are tendinţa de a evalua întreruperile în raport cu costul energiei electrice aferente nelivrate. Consumatorul o evaluează în raport cu pierderile în producţie cauzate de întreruperi. Pierderile în producţie pot fi foarte importante şi durata de indisponibilitate pentru pregătirea instalaţiilor în vederea reluării producţiei este foarte mare și presupune costuri ridicate.

Recomandări

Obiectivul este de a identifica punctele în care pot apărea întreruperi şi acestea să fie eliminate prevăzând echipamente de rezervă (redundante) sau căi alternative de alimentare. Astfel, activitatea poate continua în cazul unui singur incident. Principalele metode utilizate în limitarea acestor efecte implică instalarea unui sistem de filtrare sau de izolare (transformatoare de separație).

Sursele de rezervă şi sistemele UPS, necesare pentru a acoperi întreruperile de scurtă şi lungă durată, sunt elemente esenţiale pentru un sistem capabil să facă faţă variaţiilor în alimentarea cu energie electrică.

Odată ce armonicile sunt „sub control”, pierderile de putere dispar și totodată puterea furnizată de rețea este disponibilă pentru alte sarcini. Prin urmare, energia furnizată de rețeaua electrică va fi optimizată, reducând astfel costurile de energie. Asigurarea unei calităţi bune a energiei electrice necesită o proiectare iniţială bună, un echipament de corectare eficient, cooperarea cu furnizorul, monitorizarea frecventă şi o mentenanţă bună. Cu alte cuvinte, necesită o abordare completă şi o bună înţelegere a principiilor şi a practicilor de îmbunătăţire a calităţii energiei electrice.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *

*