UWAGA! Ten serwis używa cookies i podobnych technologii.

Brak zmiany ustawienia przeglądarki oznacza zgodę na to. Learn more

I understand

Artykuły

Harmoniczne żłobkowe w systemach wytwarzania prądu elektrycznego

włącz .

 

Wprowadzenie

Technicy i inżynierowie spotykają się dość często z problemami wynikającymi ze złej jakości zasilania prądem elektrycznym, na skutek występowania harmonicznych.

Systemy filtrowania mają za zadanie zmniejszanie i ograniczanie prądu harmonicznego pobieranego przez odbiorniki, lecz co robić, gdy przyczyną złej jakości zasilania prądem elektrycznym jest sam system, który go wytwarza?.

W niniejszym artykule zapoznamy się ze zjawiskiem harmonicznych żłobkowych oraz przeanalizujemy przypadek z rezonansem z tym rodzajem generowanych harmonicznych. 

Harmoniczne żłobkowe

Konstrukcja uzwojenia stojanów obrotowych maszyn elektrycznych zasilanych prądem przemiennym może spowodować pojawienie się składowych harmonicznych napięcia, zwanych "harmonicznymi żłobkowymi".

Występowanie jednolitych żłobków wokół wewnętrznej części stojana powoduje regularne wahania reluktancji oraz strumienia na całej powierzchni stojana, powodując odkształcenie fali napięciowej.

Stojan ze żłobkamiElementy silnika indukcyjnego

Harmoniczne żłobkowe występują w częstotliwościach określonych przez przestrzeń, która się znajduje między sąsiadującymi żłobkami. Rząd składowych jest określany przez wyrażenie:

U żłobek

gdzie:

υżłobek = rząd składowej harmonicznej
S = liczba żłobków w stojanie
P = liczba biegunów w maszynie
M = liczba całkowita, zazwyczaj równa 1, przy której wytwarzają się harmoniczne żłobkowe mniejszej częstotliwości. 

Główne skutki harmonicznych żłobkowych to:

  • Indukowanie harmonicznych napięcia w systemie elektrycznym, powodujących odkształcenie fali napięciowej.
  • Zwiększenie współczynnika zawartości wyższych harmonicznych w napięciu THDU(%)
  • Większa podatność na występowanie rezonansu z bateriami kondensatorów
  • Zmniejszenie wydajności silników (mniejszy moment obrotowy, drgania itd.)
  • Nieprawidłowe działanie czułych urządzeń elektronicznych.

Rezonans spowodowany przez harmoniczne żłobkowe

W tym przykładzie mamy do czynienia z instalacją przemysłową wyposażoną w podwójny system zasilania złożony z generatora 6,5 MW o napięciu 4,16 kV/60Hz oraz zasilania bezpośredniego z sieci elektrycznej poprzez główną sieć elektryczną 69 kV za pomocą przekładnika 9 MVA oraz poprzez podrzędną sieć elektryczną 4,16 kV/60 Hz. Instalacja posiadała system sterowania silnikami (SMC), który był kompensowany za pomocą kondensatora 50 kvar o napięciu 4,16 kV.

Uproszczony schemat systemu elektrycznego i pomiarów elektrycznych

Problemy Problemy

Problemy, które występowały w instalacji:

  • Powtarzające się usterki rozrusznika silnika SMC.
  • Zadziałanie zabezpieczeń i uszkodzenie kondensatorów średniego napięcia.
  • Usterki w systemie nieprzerwanego zasilania UPS w instalacji niskiego napięcia.
  • Uszkodzenia w statecznikach elektronicznych.
  • Fałszywe alarmy dotyczące przegrzania w sprężarkach itd.

Testy Testy

Wykonano 4 różne testy systemu zasilania silnika:

  • Zasilanego z sieci elektrycznej z i bez baterii kondensatorów.
  • Zasilanego z generatora z i bez baterii kondensatorów.

Tabeli 1 podano, jako podsumowanie, główne pomiary parametrów elektrycznych, stwierdzając, że wahania składowych harmonicznych bez baterii (Rys. 1 i 2) lub z (Rys.3 i 4) bateriami kondensatorów są praktycznie takie same i w każdym momencie znajdują się na prawidłowym poziomie.

Tabela 1

Tabela 1

Rys.1-4

Tabeli 2 zostało przedstawione zachowanie systemu zasilanego przez generator 6,5 MW. Widzimy, jak pojawia się widoczny wzrost zawartości wyższych harmonicznych w napięciu po podłączeniu kondensatora 50 kvar. Wzrost głównie występuje w harmonicznej rzędu 37.

Tabela 2

Tabela 2

Rys5-8

Informacje szczegółowe dot. wirnika i stojana generatora.

Jak można zauważyć na rysunkach 6 i 7 (bez kondensatora) oraz 5 i 8 (z kondensatorem), widzimy, że zawartość wyższych harmonicznych przy korzystaniu z generatora jest większa niż przy korzystaniu bezpośrednio z sieci elektrycznej. Można zauważyć, że występują składowe harmoniczne rzędu 5. i 37. o amplitudach pozornie nieistotnych (odpowiednio 1,89% i 1,26%).

Przy działaniu z baterią kondensatorów, występuje rezonans w harmonicznej 37., powodując zwiększenie jej amplitudy do dużych wartości (>3%). Podczas testu wystąpiły usterki, między innymi, fałszywy alarm systemu sterowania kotłem, ponieważ zawartość wyższych harmonicznych napięcia występuje we wszystkich obwodach zasilanych przez generator.

Przyczyną tego rezonansu jest kombinacja parametrów zwarcia w magistrali 4,16 kV, 71230 kVAcc oraz rozmiaru kondensatora 50 kVAr. W rezultacie częstotliwość dostrojenia jest określana przez:

Formula

gdzie:

 n = rząd harmonicznej rezonansowej
Scc = Moc zwarciowa dostępna w punkcie podłączenia baterii kondensatorów
Q = Moc skuteczna baterii kondensatorów

zatem:

Formula

Rys.9

Rys.9

Zauważyliśmy również, że generator jest 4-biegunowy i posiada 72 żłobki w stojanie. W związku z tym, stosując początkowy wzór, dowiadujemy się, że jego harmoniczne żłobkowe najniższego rzędu to 35. i 37., przy czym jednocześnie występuje rezonans w instalacji, pociągający za sobą różne ukryte problemy. (Rys.9)

Ciekawym aspektem tego testu był fakt, że w miarę jak obciążenie spadało do 0, odkształcenie fali napięciowej wzmacniało się w sposób pokazany na rysunku z profilem współczynnika zawartości wyższych harmonicznych w napięciu THD(U)% .

Wnioski

WnioskiW tym przypadku, natychmiastowy środek zaradczy polegał na odłączeniu na stałe kondensatora 50 kVAr, powodując konieczność użycia odstrojonej na 7% baterii kondensatorów z filtrem tłumiącym. Jednak obecność 37. harmonicznej napięcia, będąca problemem związanym bezpośrednio z konstrukcją generatora, nie może zostać wyeliminowana. W konsekwencji, w okresach niskiego obciążenia, wystąpił ten sam fałszywy alarm systemu sterowania kotłem. W związku z tym zasugerowano zasilanie systemu sterowania kotłem za pomocą systemu UPS typu online, w celu wyeliminowania tej składowej z napięcia zasilania.

Na skutek zwiększenia ilości aplikacji z wykorzystaniem urządzeń elektronicznych oraz energoelektronicznych, których wpływu nie można pomijać, coraz częściej niezbędne okazuje się stosowanie urządzeń kompensacyjnych z filtrami tłumiącymi lub odstrojonymi. 

Wdrożenie systemu monitorowania ułatwia nam diagnostykę, kontrolę i wydajne wykorzystanie energii elektrycznej, a także wykrywanie wszelkich nieprawidłowości występujących w naszej instalacji.

 

Pobierz w formacie pdf PDF: es  en  de  fr  pl  pt

 

Możesz czytać najnowsze informacje w dziale wiadomości
Możesz również śledzić nasze publikacje na kanałach CIRCUTOR Twitter oraz LinkedIn

circutor32x32

Kontakt

CIRCUTOR, SA
Vial Sant Jordi s/n, 08232
Viladecavalls (Barcelona) Spain
Tel: (+34) 93 745 29 00
Fax (+34) 93 745 29 14

Wsparcie techniczne

(+34) 93 745 29 19

SAT