Projektowanie w sieciach z urządzeniami sterującymi o częstotliwości akustycznej

Impedancja kondensatora z dławikiem przy 250Hz jest mniejsza o współczynnik x niż impedancja kondensatora bez dławika.

Dla 5-tej harmonicznej system kompensacji z dławikami posiada:

  • zachowanie obwodu przyjmującego przy x > 1
  • zachowanie obwodu blokującego przy x < 1

W przypadku silniejszego zachowania obwodu przyjmującego, maksymalna dopuszczalna składowa 250Hz musi być ograniczona, aby nie przeciążyć obwodu filtrującego z dławikiem.

  • ➔ p = 5,7%; fr = 210Hz; x = 2,4 ➔ u250max = 4%
  • ➔ p = 7%; fr = 189Hz; x = 1,33 ➔ u250max = 5%
  • ➔ p = 8%; fr = 177Hz; x = 1,0 ➔ u250max = 5%
  • ➔ p = 14%; fr = 134Hz; x = 0,42 ➔ u250max = 5%

Przykład: Jeżeli 4 % piątej harmonicznej jest nakładane na napięcie sieciowe, wówczas system kompensacji dławionej odsysa piątą harmoniczną w następujący sposób:

  • ➔ przy 7% -tłumienie: przy 4% × 5 (=250Hz/50Hz) × 1,33 = 0,27 × In
  • ➔ przy 5,7% -tłumienie: przy 4% × 5 (=250Hz/50Hz) × 2,40 = 0,48 × In
  • ➔ przy 14% -tłumienie: przy 4% × 5 (=250Hz/50Hz) × 0,42 = 0,08 × In

(In = 50Hz prąd znamionowy systemu)

Przy wyborze dławikowych systemów kompensacji należy zawsze przestrzegać poniższych wskazówek:

  • kondensatory z dławikami i bez nie mogą pracować równolegle w tej samej sieci niskiego napięcia.
  • równoległa praca układów filtrujących z różnymi współczynnikami tłumienia (p) jest możliwa, ale obciążenie obwodów filtrujących jest inne i powinno być dokładnie analizowane na wysokich poziomach.
  • w przypadku galwanicznie izolowanych sieci niskiego napięcia (transformatory, nie mogą być sprzężone po stronie niskiego napięcia w zależności od wymagań jedna sieć może być kompensowana z dławikami, a druga bez dławików.
  • wybrane rozwiązanie musi spełniać wymagania danego zakładu energetycznego.

Kompensacja mocy biernej w sieciach z urządzeniami sterującymi o częstotliwości akustycznej

Urządzenia tego typu instalowane są w sieciach zasilających zakładów energetycznych w celu np. zmiany taryf przyłączonych odbiorców. Napięcia sterujące wyższej częstotliwości (imp. częstotliwości akustycznej) nakładają się na napięcie sieci. Najczęściej są to częstotliwości w zakresie 166 do 1350Hz.

Aby nie zagrażać funkcjonowaniu takich systemów urządzenia odbiorcze nie mogą wpływać na poziom napięcia sterującego. W tym celu członkowie stowarzyszeń VDEW, VSÖ i VSE opracowali “Zalecenia dotyczące uniknięcia niedopuszczalnego wpływu na urządzenia sterujące o częstotliwości akustycznej”.

Współczynnik impedancji α* jest stosowany do oceny sieci z zainstalowanymi systemami kompensacji.

Przy współczynniku impedancji α*≥, 5 nie należy oczekiwać zakłóceń ze strony systemów sterujących o częstotliwości akustycznej.

Współczynnik impedancji α* jest impedancją transformatora i układu kompensacji
w odniesieniu do mocy przyłączeniowej transformatora.

Wpływ bezdławikowych systemów kompensacyjnych

Bezdławikowy system kompensacji tworzy obwód oscylujący z reaktywnymi impedancjami sieciowymi. Częstotliwość rezonansowa „fr“ obwodu oscylującego zmniejsza się wraz ze wzrostem mocy kompensacyjnej. W pobliżu częstotliwości rezonansowej, impedancja obwodu rezonansowego jest bardzo niska i może znacząco osłabić poziom napięcia częstotliwości akustycznej.

Gdy system kompensacji jest w pełni załączony, współczynnik impedancji α*≥,5 jest osiągany tylko dla częstotliwości sterowania okrężnego 166Hz.

Rys. 37: Współczynnik impedancji α* w zależności od podłączonych kondensatorów

 

Jeżeli współczynnik impedancji nie może być utrzymany, przed kompensacją należy podłączyć obwód blokady częstotliwości akust. (TFS). Obwód blokujący częstotliwość to równoległy obwód drgający składający się z dławika blokującego i kondensatora rezonansowego. Przeznaczony jest dla mocy znamionowej kompensacji i jej napięcia znamionowego. Układ blokady częstotliwości zwiększa impedancję systemu kompensacji przy częstotliwości akust. do współczynnika impedancji α*≥0,5.

Przy włączonym systemie kompensacji, współczynnik impedancji α*≥0,5 uzyskuje się już dla częstotliwości 216,7Hz

Rys. 38: Współczynnik impedancji α* w zależności od podłączonych kondensatorów przy wykorzystaniu z przedwzmacniacza częstotliwości akust. dla obwodu blokującego częstotliwość 216,67Hz

 

Krytyczne częstotliwości sterowania w zakresie od 270 do 425Hz

Częstotliwości rezonansowe systemu kompensacji są zmieniane przez poprzedzający układ blokady częstotliwości akust.. W szczególności, bezdławikowy system kompensacji posiada drugą szeregową częstotliwość rezonansową poniżej zablokowanej częstotliwości sterowania okrężnego. W zakresie częstotliwości akust. od 270 do 425Hz może wystąpić niebezpieczny, wywołany rezonansem wzrost harmonicznych.

W takich przypadkach stosuje się następujące zasady

Jeżeli obwody blokujące częstotliwość akust. w zakresie częstotliwości od 270Hz do 425Hz są łączone przed systemami bezdławikowymi kompensacyjnymi, wzmocniony rezonans jest możliwy w bezpośrednim sąsiedztwie 5-tej i 7-ej harmonicznej. Aby uniknąć przeciążenia obwodu blokady częstotliwości akust. oraz późniejszej kompensacji, poziom 5-tej harmonicznej (250Hz) i 7-ej harmonicznej (350Hz) nie może przekraczać 1% nominalnego napięcia sieciowego. Na wyższych poziomach należy zainstalować dławikowe systemy kompensacji.

Rys. 39: Wzmocnienie harmonicznych przy stosowaniu bezdławikowej kompensacji z układem blokady częstotliwości audio dla 316,7Hz

 

Wpływ dławikowych systemów kompensacji

Dławiki w systemach kompensacyjnych redukują częstotliwość rezonansową do wartości poniżej 250Hz, co na początku zostało opisane bardziej szczegółowo. Wszystkie harmoniczne powyżej częstotliwości rezonansowej dławienia nie są już wzmacniane, ale tłumione.

W zależności od wykonania można bezpiecznie zablokować częstotliwości sterowania, nawet bez obwodu blokady częstotliwości akustycznych przy zastosowaniu systemów kompensacji z dławikami.

Ze względu na najwyższą niezawodność działania systemów kompensacyjnych oraz bezzakłóceniową transmisję sygnałów sterowania ZE, zalecamy następujące warianty dla stopnia kompensacji (stosunek mocy transformatora do mocy kompensacyjnej) do 50%:

Częstotliwość sterowania ZE [Hz] Wykonanie (stopień tłumienia)
166 do 183,3 p = 7% (fr = 189Hz) z obwodem blok. częstotliwość akust.
190 do 210 p = 8% (fr = 177Hz) z obwodem blokującym częstotliwość akust.
Najbardziej ekonomiczne wersje:
≥ 166 p = 14% (fr = 134Hz) bez obwodu blokującego częstotliwość akust.
≥ 216,67 p = 8% (fr = 177Hz) bez obwodu blokującego częstotliwość akust.
≥ 228 p = 7% (fr = 189Hz) bez obwodu blokującego częstotliwość akust.

 

Dla częstotliwości ≥ 216,7Hz osiąga się współczynnik impedancji α*≥ 0,5 nawet bez układu blokującego częst. akust.

Rys. 40: Przykład 1: Współczynnik impedancji α* w zależności od podłączonych kondensatorów, tłumienie 8%

 

Przy częstotliwości 175Hz współczynnik impedancji α*≥ 0,5 jest osiągany na wszystkich stopniach.

Rys. 41: Przykład 2: Współczynnik impedancji α* w zależności od podłączonych kondensatorów, tłumienie 7% i blokadą częstotliwości audio dla 175Hz

 

Również w tym przypadku współczynnik impedancji α*≥ 0,5 jest niezawodnie osiągany przy 190Hz na wszystkich stopniach.

Rys. 42: Przykład 3: Współczynnik impedancji α* w zależności od podłączonych kondensatorów, tłumienie 8% i układ blokady częstotliwości akust dla częstotliwości 190Hz

 

Dla wszystkich częstotliwości ≥ 166Hz (wszystkie popularne częstotliwości sterowania) współczynnik impedancji α* ≥ 0,5 osiągany jest na wszystkich stopniach!

Rys. 43: Przykład 4: Współczynnik impedancji α* w zależności od załączonych kondensatorów, tłumienie z 14 %.

 

Wersje dławikowych systemów kompensacji

1.) Współczynnik tłumienia 7 i 8%:

Systemy kompensacyjne z 7% tłumieniem sprawdziły się w większości zastosowań przemysłowych. Częstotliwość rezonansowa ma wartość optymalną, aby redukować harmoniczne przemysłowe (głównie 5-tą i 7-mą) i jednocześnie uniknąć przeciążenia. Idealne rozwiązanie dla prawie symetrycznie obciążonych sieci przemysłowych o normalnych poziomach harmonicznych i częstotliwości sterowania powyżej 228Hz!
Tłumienie 8% jest wariantem dla sieci z częstotliwością 216,67Hz.

2.) Współczynnik tłumienia 12,5 do 14%:

Wersje z tłumieniem od 12,5 do 14% nadają się również do sieci o częstotliwościach sterowania okrężnego od 166 do 210Hz bez obwodu blokującego częstotliwość akustyczną. Wady tego wariantu polegają z jednej strony na wyższych kosztach wymaganych dławików i kondensatorów, a z drugiej strony na stosunkowo niskim efekcie tłumienia na harmonicznych przemysłowych. W sieciach niskiego napięcia o wysokim poziomie 5-tej harmonicznej (zwłaszcza dla systemów > 200kVar), należy raczej stosować układy z 7% lub 8% tłumieniem. Wyjątek stanowią sieci niskiego napięcia o bardzo wysokim poziomie 3-ciej harmonicznej (150Hz). Trzecia harmoniczna jest zwykle generowana przez sieć niskiego napięcia o wysokim asymetrycznym obciążeniu (np. praca odbiorników jednofazowych, takich jak zgrzewarki/spawarki, systemy UPS lub duża liczba lamp ze statecznikami elektronicznymi oraz zasilaczy do komputerów i innych urządzeń biurowych). Wysokie poziomy 3-ciej harmonicznej często występują w kompleksach biurowych, bankach, szpitalach, domach towarowych itp. Aby uniknąć rezonansów na tej częstotliwości, należy w takich przypadkach stosować tłumienie poniżej 150Hz. Do tego celu najlepiej nadaje się wersja 14%; wersje z tłumieniem 7 lub 8% nie mogą być stosowane w tych przypadkach.

3.) Współczynnik tłumienia 5 do 5,67%

Konstrukcja ta jest zwykle stosowana ze względu na zwiększony udział harmonicznych. Jeżeli jednak sieć średniego napięcia dostarcza wysoki poziom harmonicznych, nie należy stosować współczynnika tłumienia 5 do 5,67% (aby uniknąć przeciążeń) należy wybrać wersję z p = 7%. Przy bardzo ekstremalnych poziomach harmonicznych można również projektować specjalne obwody filtrujące.

4.) Tłumienie kombinowane:

Ten wariant systemów kompensacji bazuje na poziomach filtrowania różnych częstotliwości rezonansowych (zwykle 12,5/14% i 5/5,67%). Liczba i moc znamionowa stopni obwodu filtrującego jest tak dobrana, aby stosunek mocy wynosił około 1:1, czyli tyle samo. Dławiki kombinowane mogą być stosowane w sieciach o częstotliwościach sterowania w zakresie od 166 do 190Hz jako prostszy wariant zamiast systemów dławikowych z układami blokującymi częstotliwości akustycznych.

Należy wziąć pod uwagę trzy istotne wady w kompensacji kombinowanej:

  • aby zachować współczynnik blokady, unika się zasady przełączania obwodów w systemach sterowanych.
  • efekt tłumienia harmonicznych jest mniejszy niż w przypadku systemów dławikowych układami blokującymi częstotliwość akustyczną.
  • jedna połowa systemu ma niski efekt tłumienia, druga połowa działa jak obwód filtra 210 lub 223Hz jak obwód ssący. Jeśli zawartość harmonicznych jest wysoka w sieci średniego napięcia lub we własnej sieci, jedna połowa stopni obwodu filtra jest zawsze w pełni obciążona termicznie, podczas gdy druga połowa nie jest. Te współczynniki obciążenia w naturalny sposób wpływają na żywotność. Z tego powodu tłumienie kombinowane jest zalecane aby uniknąć rezonansu i dostępna jest częstotliwość w zakresie 166 a 183Hz. Spodziewany jest niski udział harmonicznych w napięciu – 3%.

Bardziej zaawansowanym technicznie rozwiązaniem jest tłumienie p=14%. Oscylacje harmoniczne są blokowane równomiernie na wszystkich stopniach i można w pełni wykorzystać wszystkie zalety techniczne sterowania nowoczesnymi regulatorami mocy biernej.

Monitorowanie działających systemów kompensacji

Równie ważne jak projektowanie jest późniejsze monitorowanie i konserwacja systemów. Po uruchomieniu układu kompensacji, często się o tym aspekcie zapomina. Części wykonawcze styczników kondensatorów dozoruje się tylko wówczas, gdy wystąpiły kłopotliwe efekty awarii. Przy przełączaniu obciążeń pojemnościowych styczniki narażone są na duże obciążenia. Ruchome styki przełączające prowadzą do wysokich prądów ładowania w kondensatorach i szybko się zużywają. Terminowa wymiana styczników znacznie wydłuża żywotność systemu kompensacyjnego. W celu uzyskania bieżących informacji o zużyciu styczników, w nowoczesnych sterownikach mocy biernej takich jak RM 9606, EMR 1100 S i EMR 1100 zintegrowano licznik cykli przełączania. Regulator mocy biernej wskazuje optymalny czas wymiany stycznika i tym samym oszczędza koszty. W celu konserwacji prewencyjnej operator może wywołać na wyświetlaczu liczbę cykli przełączania dla każdego z poszczególnych etapów, które do tej pory były wyświetlane na wyświetlaczu.

Również ze względu na zmiany warunków w sieci mogą wystąpić zakłócenia w całym systemie niskiego napięcia. Celem monitorowania sieci jest wykrycie takich usterek na wczesnym etapie. Urządzenia monitorujące sieć serii EM-PQ oferują możliwość wczesnego ostrzegania przed awarią systemów lub komponentów systemu. Wszystkie istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa zmienne pomiarowe w sieciach średniego i niskiego napięcia, temperatury wrażliwych komponentów instalacji, jak również zużytej energii czynnej i biernej są rejestrowane, analizowane, monitorowane i raportowane.