Esettanulmányok
Napjainkban a villamosenergia minőségének kérdése egyre hangsúlyosabbá válik. A minőségi mutatók közül kiemelt figyelmet érdemelnek a felharmonikusok. A fogyasztói struktúra átalakulásával egyre több olyan berendezés kapcsolódik a villamos hálózatokra, melyek úgynevezett nemlineáris fogyasztóknak tekinthetők. Ezen eszközök közös jellemzője, hogy nem tisztán 50Hz-es szinuszos áramot vesznek fel a hálózatból. Ennek következtében visszahatnak a táphálózat feszültségére, eltorzítva annak jelalakját. A felharmonikusok által okozott problémákat hamar felismerték, több megközelítés is létezik az általuk okozott hatások mérséklésére. A felharmonikusok szűrésének módszereit két nagy csoportra szokás osztani: passzív és aktív szűrés. A következőkben ez utóbbival szeretnénk foglalkozni, néhány esettanulmány segítségével bemutatva a lehetséges alkalmazási területek sokféleségét.
Kulcsszavak: felharmonikusok, felharmonikus szűrés, aktív felharmonikus szűrők
1 Bevezetés
A minőségi villamosenergia ellátás a problémát végletekig leegyszerűsítve a fogyasztók folyamatos ellátását jelenti névleges 50 Hz-es frekvenciájú, névleges effektív értékű és tisztán szinuszos jelalakú feszültséggel. Az ettől való bármilyen eltérés az ellátás csökkent minőségét eredményezi. Az egyik legfontosabb energiaminőségi jellemző napjainkban a feszültség (illetve az áram) felharmonikus tartalma, azaz az ideális szinuszos jelalaktól való eltérése.
A kisferekvenciás, vezetett zavarjelenségek közé sorolható felharmonikusok forrásai elsődlegesen az úgynevezett nemlineáris fogyasztók (bár a napjainkban rohamosan terjedő, a hálózatra valamilyen inverteren keresztül csatlakozó egységek a termelési oldalon is megjelenítik a nemlineáris jelleget). A fogyasztók egy része a szinuszos hálózati feszültségre kapcsolva azzal megegyező jelalakú áramot vesz fel. Ők a lineáris fogyasztók. A fogyasztók másik része azonban a szinuszos hálózati feszültségtől eltérő áramfelvétellel jellemezhető (1. ábra).
A nemlineáris fogyasztók áramát a frekvenciatartományban megvizsgálva (melybe időtartományból a Fourier transzformáció segítségével juthatunk) láthatjuk, hogy abban nemcsak a hálózati alapharmonikusnak megfelelő frekvencián, hanem annak az egész számú többszörösein is megfigyelhetünk összetevőket.
1. ábra: Lineáris (balra) és nemlineáris (nemlineáris) fogyasztók összehasonlítása jelalakok alapján [1]
Az adott felharmonikus frekvenciájának meghatározására használt jellemző a rendszám, mely megmutatja, hogy az adott frekvencia hányszorosa az alapharmonikus értéknek. A jelek felharmonikus tartalmának leírására többféle mérőszámot alkalmaznak a szakirodalomban. Ezek közül talán a két legelterjedtebb az egyedi (1) és a teljes felharmonikus torzítás (2) mutatója. Előbbi megmutatja az adott h rendszámon megfigyelhető komponensnek az arányát az alapharmonikushoz képest, míg utóbbi a jel eredő felharmonikus tartalmát viszonyítja az alapharmonikushoz. A két mutatószám analóg módon határozható meg feszültségre és áramra egyaránt.
Az áram teljes harmonikus torzításának értékét gyakran adják meg viszonyszám helyett Amper dimenzióban, vagy alkalmaznak eltérő viszonyítási alapot, mint például egy berendezés (például transzformátor) névleges árama, vagy egy fogyasztó legnagyobb áramfelvétele (hasonlóan az IEEE519 szabvány által definiált TDD-hez).
A magas felharmonikus tartalomnak számos negatív hatása is lehet, mint például a transzformátorok és forgógépek túlmelegedése, nullavezetők túlterhelődése, fázisjavító kondenzátorok meghibásodása, stb. A felharmonikusok által okozott problémák könnyen vezethetnek akár a termelési költségek növekedéséhez, vagy szélsőséges esetben a termelés volumenének vagy minőségének csökkenéséhez is.
A felharmonikusok által okozott problémákat korán felismerték. Ennek megfelelően számos szabvány foglalkozik a felharmonikusok megengedhető szintjével. Ezek egy része a nemlineáris fogyasztókra, mint berendezésekre vonatkozó kibocsájtási norma. Ilyen például az IEC 61000-3-2, mely a 16 A alatti kisfeszültségű berendezések harmonikus áramaival foglalkozik, vagy az IEC 61000-3-12 mely a 16-75 A tartományt szabályozza. Másik oldalról közelítik meg a problémát azok a szabványok, melyek a hálózaton szolgáltatott villamosenergia minőségével szembeni elvárásokat fogalmaznak meg. Ilyen például a hazánkban is érvényes MSZ EN 50160, mely a kis- és középfeszültségű elosztóhálózatokon szolgáltatott villamosenergia minőségi követelményeivel foglalkozik. A szabvány a felharmonikusok tekintetében előírásokat tesz a hálózati csatlakozási ponton mérhető teljes felharmonikus torzítás értékére vonatkozóan, valamint az egyedi feszültség felharmonikusok tekintetében is a 25-ös rendszámig. A fogyasztók áramfelvételével kapcsolatban azonban nem definiál határértékeket. Nemzetközi viszonylatban gyakran találkozhatunk az IEEE 519 jelzésű szabvánnyal is, mely kissé más megközelítést alkalmaz. A feszültségre vonatkozó határértékek mellett megkötéseket tesz a fogyasztók által a hálózatba táplált harmonikus áramra vonatkozóan is. Ezen felül gyakran kerül említésre a G5/4 műszaki előírás is. A leírás azonban messze nem teljes, számos további szabványt, előírást lehet említeni a harmonikus kibocsájtási és kompatibilitási szintekkel kapcsolatban.
2 Felharmonikus szűrés, aktív felharmonikus szűrők
A felharmonikusok szintjének csökkentésére több megoldás létezik. Ezek közé sorolható például magasabb ütemszámú egyenirányítók alkalmazása, megfelelően választott kapcsolási csoportú transzformátorok használata, a hálózat megerősítése, stb. A legáltalánosabban alkalmazott megoldások azonban a különböző felharmonikus szűrők. Ezeket a berendezéseket két fő csoportra szokás osztani: passzív és aktív szűrők. Előbbi csoportba olyan eszközök tartoznak melyek passzív elemek (kapacitások, induktivitások és ellenállások) célszerű kapcsolásával valósítják meg a szűrés feladatát. Utóbbiak teljesítményelektronikai eszközök segítségével látják el feladatukat. A szakirodalomban emellett találhatunk hivatkozásokat hibrid kialakítású szűrőkre is.
Leegyszerűsítve a problémát, a passzív szűrők lényegében a szűrendő harmonikusokra hangolt rezgőkörök. Alkalmazásuk gondos tervezést igényel, a hálózat és a fogyasztók jellemzőinek beható ismerete szükséges hozzá. A tervezés során figyelembe kell venni, hogy a szűrő könnyen túlterhelődhet a szennyezett háttérfeszültség következtében, valamint többlet harmonikus terhelés hatására. Bizonyos esetekben problémás lehet a magasabb frekvenciák, valamint a dinamikusan változó fogyasztók szűrése. Több frekvencia egyidejű szűrése esetén emellett a szűrők kapcsolási sorrendjére is ügyelni kell.
Az aktív szűrők egyre inkább a figyelem középpontjába kerültek a frekvenciaváltós hajtások mind széleskörűbb elterjedésével, valamint az energiaszolgáltatók valamint a fogyasztók által az energiaminőségre szentelt figyelem növekedésével. Az aktív szűrés gondolata nem újkeletű.
Az elméleti alapokat már az 1970-es években lefektették. A terület kutatása igazán a 90-es években vett lendületet, amikor a kereskedelmi forgalomban is megjelent számos ilyen berendezés [1].
Felépítésüket tekintve soros és sönt kialakítású aktív szűrőkről beszélhetünk. A soros kialakítás esetében a szűrő speciális transzformátoron keresztül kapcsolódik a hálózathoz, feszültségforrásként funkcionál. Előnyeként tartják számon azt a képességét, hogy a feszültség felharmonikus tartalmát közvetlenül is képes befolyásolni, valamint a feszültségesések hatásait is képes kompenzálni. Hátránya a speciális, bonyolult kialakításából fakadó magas költségekben rejlik. Emellett nehezen illeszthető meglévő hálózati struktúrákba, retrofit alkalmazásokba, nehezen skálázható. A piacon kaphat szűrők szinte kizárólag sönt kialakításúak, így a soros kialakítás csupán elméleti jelentőséggel bír [1][2].
A sönt kialakítású szűrők vitathatatlan előnye a könnyű alkalmazhatóságuk. Könnyedén illeszthetők a meglévő hálózati infrastruktúrába, valamint párhuzamos jellegük miatt egyszerűen bővíthetők. Működésükhöz megfelelőek a hagyományos áramváltók. A sönt kialakítású szűrők harmonikus áramforrásként működnek. A feszültséget csak indirekt módon, a felharmonikus áramok kiszűrésével képesek befolyásolni.
2. ábra: Soros kialakítású aktív szűrő [3]
A szűrendő hálózat típusát valamint a szűrő kialakítását tekintve a napjainkban a piacon elérhető, háromfázisú hálózatra szánt típusok két csoportba sorolhatók: 3 és 4 vezetékes kialakítás. Előbbi lényegében olyan ipari fogyasztók szűrését képes megvalósítani, ahol nincs nullavezető. A 4 vezetékes kialakítás ezzel szemben képes a zérus sorrendű harmonikusok szűrésére is, ezáltal a nullavezetőben folyó áramra is hatással van [1][2].
A szűrők mindegyike impulzusszélesség modulációs eljárással állítja elő a kívánt jelalakot. A bennük lévő teljesítményelektronika típustól függően rendszerint 2 szintű vagy 3 szintű NPC invertereket tartalmaz. Utóbbi kialakítás kedvezőbb veszteségi viszonyokat, valamint kimeneti jelalakot is eredményez a szűrők esetében [1][2].
3. ábra: Sönt kialakítású aktív felharmonikus szűrő és működési elve [3]
A jelenlegi trendeknek megfelelően egyre több gyártó alakít ki moduláris rendszerű szűrőket, melyek rendkívül egyszerűvé teszik az adott alkalmazás igényeihez való illesztést, valamint az esetleges jövőbeni bővítést [1]. A jelenlegi kapható szűrők a páros- és páratlan rendszámú felharmonikusok szűrésére egyaránt alkalmasak. A szűrők ISZM modulációs frekvenciája nagyjából a 10-20 kHz tartományba esik, előfordulnak ettől eltérő értékek is. A modern berendezések válasz-ideje közelítőleg 100 µs. A szűrők alkalmazása során tekintettel kell lenni a berendezés veszteségeire, valamint a működéssel járó zajra is.
A gyártók a berendezéseik szűrési képességét rendszerint a névleges árammal adják meg. Az adott applikáció esetében szükséges szűrési képesség meghatározása ennek megfelelően az igényelt eredő szűrőáram megadásával történhet [5]. Ennek megállapítása során figyelembe kell venni az összes szűrendő felharmonikust, valamint minden egyéb feladat áram-igényét, például az alapharmonikus meddő áramot is.
Mindez előre vetíti, hogy az aktív szűrők kiválasztása kevésbé időigényes, odafigyelést igénylő folyamat, mint a passzív felharmonikus szűrők méretezése. A berendezések működését nem befolyásolja a szennyezett háttérfeszültség, nem terhelik túl a hálózaton jelen lévő felharmonikusok. Talán ez az egyik oka, hogy az ilyen kialakítású aktív szűrőkre sokan „konyhakész” megoldásként tekintenek, melyek gondolkozás nélkül alkalmazhatók minden esetben.
A helyzet azonban ennél árnyaltabb, a szűrők kiválasztása során nem lehet teljesen figyelmen kívül hagyni a hálózatot, illetve a beépítendő szűrőnek arra gyakorolt hatását [2]. A szűrők működésének hatására például rendszerint megemelkedik a nemlineáris terhelések által létrehozott harmonikus áramok nagysága, melyet figyelembe kell venni a méretezés során. Emellett a szűrő működését befolyásolhatják a feszültségben megjelenő tranziens zavarok is, illetve a terhelés dinamikus változásai.
3 Aktív felharmonikus szűrők gyakorlati alkalmazási lehetőségei
A következőkben az aktív felharmonikus szűrők néhány alkalmazási lehetőségét szeretnénk bemutatni, esettanulmány jelleggel.
Az esetek mindegyikében, bár eltérő teljesítménnyel, ugyanaz az aktív felharmonikus szűrő típus került beépítésre: a Schaffner által gyártott EcoSine Active Sync típus. Ezek a szűrők, a mai trendeknek megfelelően moduláris kialakításúak. Egy szűrő modul 60 A kompenzáló áram előállítására képes és gyakorlatilag tetszőleges számú modul párhuzamos alkalmazása lehetséges. A berendezés egészen az 50-es rendszámig képes a felharmonikusok szűrésére, beleértve a páros rendszámokat is. A berendezés 100 µs alatti reakció ideje alkalmassá teszi dinamikus kompenzációs feladatok elvégzésére is. z teljesítményelektronika tekintetében 3 szintű NPC topológiát alkalmaznak az optimális működés és az alacsonyabb veszteségek elérésének érdekében.
Az alkalmazott modulok mindegyike kivétel nélkül 4 vezetékes kialakítású, képes a zérus sorrendű áramok szűrésére is.
3.1 Felharmonikus szűrés – Élelmiszeripari üzem
Bár az aktív felharmonikus szűrők kialakításukból fakadóan számos feladat ellátására képesek, akár egyidejűleg is, elsősorban az áram felharmonikus tartalmának csökkentésére lettek kifejlesztve. Erre a célra került alkalmazásra egy aktív felharmonikus szűrő berendezés egy magyarországi, élelmiszeripari üzemben.
A vizsgált létesítmény a középfeszültségű hálózatra csatlakozik. A kisfeszültségű fogyasztókat ellátó egyik transzformátor (2000 kVA, 6%) esetében az üzemeltetés során kimagasló felharmonikus tartalom került rögzítésre a transzformátor által ellátott kisfeszültségű elosztóban. A transzformátor elsősorban a gyártástechnológiához illetve gépészethez tartozó berendezéseket látja el energiával. Ezek között túlnyomó többségben vannak a frekvenciaváltós villamos hajtások.
Az előzetes mérések során 12-15% közötti feszültség felharmonikus torzítás értékek is regisztrálásra kerültek. Külön problémát okozott emellett, elsősorban a nyári időszakban, a meglehetősen nagy arányban kiterhelt transzformátor jelentős melegedése mely a megfelelő védelmek többszöri kioldását is eredményezte.
A felharmonikus szűrő berendezés beépítésének elsődleges célja a fogyasztók áramának felharmonikus tartalmának a csökkentése volt, elsősorban az alacsonyabb rendszámokon (legjelentősebb komponensek az 5-ös és 7-es rendszámok esetében voltak megfigyelhetők, az előzetes várakozásoknak megfelelően). Ennek következtében várható volt a feszültség felharmonikus torzításának jelentős csökkenése is. További pozitív hatása a központilag elhelyezett szűrésnek a transzformátor felé folyó harmonikus áramok csökkenése, mely némileg hozzájárul a transzformátor melegedésének mérsékléséhez is: a transzformátorok melegedését ugyanis a felharmonikus áramok jelentősen befolyásolhatják, frekvenciától függő mértékben.
A létesítmény fogyasztói jó közelítéssel szimmetrikus, 3 fázisú berendezések, így terhelés szimmetrizálás itt nem került szóba.
A meddőteljesítmény kompenzálásának feladatát egy hagyományos, mágneskapcsolók segítségével működő automatikus fázisjavító berendezés látja el. A berendezés fojtózott kivitelű, 14%-os fojtási tényezővel került kialakításra. Ennek megfelelően az aktív szűrővel párhuzamosan való alkalmazása nem jelent komolyabb problémát.
Az elosztóban előtte is üzemelt egy aktív felharmonikus szűrő berendezés, ennek kompenzálási képessége azonban kevésnek bizonyult a tényleges igényekhez képest. Az átalakítás során ez a berendezés egy célszerűen kiválasztott leágazásra került kihelyezésre. Az fogyasztók kompenzálására beépítésre került egy összesen 420 A szűrési képességű berendezés.
A harmonikus szűrés eredményeit az 2. Táblázat foglalja össze. Az eredményeken szembetűnő az áram és a feszültség harmonikus tartalmának csökkenése. A csökkent harmonikus tartalom a transzformátor áramának effektív értékében is tetten érhető (1. Táblázat). A szűrés előtt és után rögzített spektrumokat a 6. ábra és a 9. ábra hasonlítja össze feszültségben, illetve áramban.
1. Táblázat: Transzformátor áramai – Élelmiszeripari létesítmény
2. Táblázat: Teljes harmonikus torzítások – Élelmiszeripari létesítmény
4. ábra: Feszültség jelalakok az aktív szűrő üzembehelyezése előtt – Élelmiszeripari üzem
5. ábra: Áram jelalakok az aktív szűrő üzembehelyezése előtt – Élelmiszeripari üzem
6. ábra: L1 fázis feszültségének spektruma ki- és bekapcsolt szűrő mellett – Élelmiszeripari üzem
7. ábra: Feszültség jelalakok az aktív szűrő üzembehelyezését követően– Élelmiszeripari üzem
8. ábra: Áram jelalakok az aktív szűrő üzembehelyezését követően– Élelmiszeripari üzem
9. ábra: L1 fázis áramának spektruma ki- és bekapcsolt szűrő mellett – Élelmiszeripari üzem
3.2 Meddőteljesítmény kompenzálás – Logisztikai központ
A meddőteljesítmény kompenzálás tradicionálisan a fogyasztók által a hálózatból felvett induktív jellegű meddőteljesítmény ellensúlyozását jelentette. Napjainkban azonban egyre többször lehet találkozni olyan létesítményekkel, ahol a korszerű, energiatakarékos fogyasztók eredőben kapacitív meddőteljesítmény felvételt eredményeznek. Ennek a meddő teljesítmények a kompenzálására a hagyományos kialakítású fázisjavító berendezések nem képesek.
Egy logisztikai központ esetében az üzemeltetők azt tapasztalták, hogy a létesítmény (beleértve a világítástechnikai, irodatechnikai, épületgépészeti fogyasztókat éppúgy, mint a terhelés döntő hányadát képező szállítórendszereket működtető hajtásokat) jelentős kapacitív meddő teljesítményt vesz fel a hálózatból.
Figyelembe véve az áramokban megfigyelt jelentős felharmonikus tartalmat, valamint a fogyasztás változásának dinamikáját az a döntés született, hogy egy aktív felharmonikus szűrő kerüljön beépítésre, mint meddőkompenzáló berendezés.
A létesítmény főelosztójában telepítésre került egy ilyen eszköz, mely összesen 300 A kompenzáló áram előállítására képes. A létesítmény kisfeszültségen kapja az energiát. A betáplálási megszakító beállított áramértéke 800 A.
A telepített felharmonikus szűrő az elosztóban eredetileg elhelyezett hagyományos kialakítású fázisjavító berendezés helyére került beépítésre. Ennek áramváltója nem volt megfelelő a szűrő számára, így új, rogowski tekercses eszközök kerültek utólagosan beépítésre, az elosztó átalakítása nélkül.
A szűrő fő feladata az alapharmonikus meddő teljesítmény kompenzálása. A telepített berendezésen egyelőre csupán ez a funkció került aktiválásra. A berendezés a beállításainak megfelelően a létesítmény eredő meddőteljesítmény felvételét úgy szabályozza, hogy az egy megadott teljesítménytényező tartományban legyen. Ezek a célértékek induktív 0,98-0,99 voltak. A meddőteljesítmény kompenzálással elért eredményeket a 10. ábra és 11. ábra szemléltetik. Az első ábra a kompenzálás nélküli esetet mutatja, melyen jól látható a kapacitív (negatív) meddő teljesítmény. A teljesítménytényező átlagos értéke a bemutatott időszakban 0,71 volt. A kompenzálás üzembehelyezését követő állapotot bemutató ábrán a meddő teljesítmény végig induktív jellegű (pozitív), az alapharmonikus teljesítménytényező értéke átlagosan 0.995 volt.
Az imént ismertetett megoldás iskolapéldája lehetne az aktív felharmonikus szűrők retrofit jellegű alkalmazásának.
10. ábra: Alapharmonikus hatásos és meddő teljesítmények a kompenzálás beüzemelése előtt – Logisztikai központ
11. ábra: Alapharmonikus hatásos és meddő teljesítmények a kompenzálás beüzemelését követően – Logisztikai központ
3.3 „Teljesítmény formálás” – Textilipari gyártócsarnok
Mint az a korábbi szakaszokban említésre került, az aktív felharmonikus szűrők számos funkció ellátására képesek, egy eszköz segítségével. A következő példában egy komplex alkalmazás kerül bemutatásra.
Egy textil ipari létesítmény esetében a karbantartó személyzet észlelte, hogy az egyik al-elosztóról ellátott gépek esetében kimagaslóan magas az üzemzavarok, meghibásodások aránya. Előzetes vizsgálatok alapján a zavarok egyik lehetséges okát a magas felharmonikus tartalomban jelölték meg. Ennek következtében úgy döntöttek, hogy kísérleti jelleggel egy aktív felharmonikus szűrőt telepítenek a kérdéses elosztóba.
Csupán egyetlen modul – 60 A – került telepítésre, azonban az érintett fogyasztók relatíve kis teljesítménye miatt jelentős kihasználatlan kapacitás maradt elérhető a szűrőben. Ezt a rendelkezésre álló többletet a meddőteljesítmény kompenzálására, valamint a terhelés szimmetrizálására is fel lehetett használni. Az érintett fogyasztók túlnyomó része ugyanis egyfázisú, ezért jelentős aszimmetria volt megfigyelhető az áramfelvételben. Mindez együtt járt a nullavezetőben megjelenő viszonylag nagy árammal.
Az eredményeken jól látszik a felharmonikus tartalom mérséklődése mellett a nullavezető áramának nagyarányú csökkenése is. Ez részben a zérus sorrendű harmonikusok kiszűrésének, nagyobbrészt viszont a terhelés szimmetrizálási funkció működésének tudható be.
3. Táblázat: Teljes harmonikus torzítás a három fázisfeszültségben és fázisáramban – Textilipari létesítmény
4. Táblázat: Terhelés-szimmetrizálás hatása – Textilipari üzem
12. ábra: Áram jelalakok szűrés nélkül – Textilipari létesítmény (I4 a nullavezető árama)
13. ábra: Áram jelalakok a szűrő bekapcsolása után – Textilipari létesítmény (I4 a nullavezető árama)
4 Összefoglalás
A villamos energia műszaki minősége, azon belül is a felharmonikusok értéke egyre nagyobb figyelmet kap napjainkban. A felharmonikusok csökkentésének korszerű módja az aktív felharmonikus szűrő berendezések alkalmazása. Ezek az eszközök azonban felépítésüknél fogva egyidejűleg több funkció elvégzésére is képesek, így a felharmonikus szűrés helyett egy komplex, „teljesítmény formálási” feladatot ellátva.
Az előző szakaszban az aktív felharmonikus szűrők alapvető tulajdonságainak áttekintését követően néhány esettanulmány bemutatásával próbáltuk illusztrálni ezen eszközök alkalmazási lehetőségeinek sokféleségét. A bemutatott esetek rávilágítottak ezen eszközök alkalmazhatóságára felharmonikus szűrés, meddőteljesítmény kompenzálás, valamint terhelés szimmetrizálás céljára egyaránt.
Kiss József, KRL Kontrol Kft.
www.krl.hu
