Functionarea Optimal Energetica a Sistemelor de Actionari Electrice

Universitatea POLITEHNICA Bucureti Facultatea de Electrotehnic

Tez de doctorat

Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice

- REZUMAT -

Conductor tiinific: Doctorand: Prof. dr. ing. Rzvan MGUREANU Ing. Doru Ion Creang

Bucureti 2004

Mulumiri Doresc s adresez alese mulumiri D-lui Prof. dr. ing. Rzvan Mgureanu pentru ndrumare, soli-citudine, susinere material i moral, toate oferite cu generozitate pe tot parcursul periodei de elaborare a tezei. Aduc mulumiri colegilor din cadrul laboratorului de Acionri i Maini Electrice Speciale, n primul rnd D-lui dr. ing. Sergiu Ambrosii i D-lui ef de lucrri dr. ing. Valeriu Bostan pentru ajutorul nemijlocit pe care mi l-au oferit ori de cte ori a fost necesar. Implementarea i testarea prototipului filtrului activ, precum i crearea ambianei de test (consu-mator neliniar de putere medie) a fost posibil datorit sprijinului acordat de societatea Electrotehnica SA Bucureti. Doresc s adresez alese mulumiri D-lui Director General ing. Ladislau Csorba, precum i D-lor Directori ing. Costic Holban i ing. Crian Davidescu. In cele din urm a dori s exprim recunotiin i mulumire mamei, soiei i fiicei mele, pentru susinerea i nelegerea pe care mi-au acordat-o pe parcursul acestor ani de studiu.

Cuprinsul tezei

Prefa ............................................................................................................................................................ ix Notaii utilizate ............................................................................................................................................... xii

1 Calitatea energiei electrice n sistemele electroenergetice .................................................................... 1 1.1 Indicatori de calitate a energiei electrice .............................................................................................. 2 1.2 Reglementri referitoare la calitatea energiei electrice ................................................................. 6 1.3 Surse de armonici ......................................................... 11 1.4 Consecine negative ale prezenei armonicilor n curentul absorbit de la reea ........................ 14 1.5 Concluzii ........................................................... 18 Bibliografie .....................................................................

19

2 Filtre active de putere ................................................................................................................... 21 2.1 Mijloace pentru limitarea emisiei perturbatoare sub form de armonici .......................................... 21 2.2 Amplasarea filtrelor active ................................................................ 24 2.3 Modul de conectare i topologia filtrelor active ............................... 25 2.4 Alte funcii pe care le pot ndeplini filtrele active ................................ 28 2.5 Metode pasive de compensare .............................................................. 30 2.6 Concluzii .......................................................... 33 Bibliografie .....................................................................

35

3 Tehnici de estimare a semnalului de referin ............................................................................... 37 3.1 Calcularea semnalului de referin n domeniul timp ............................................................... 39 3.2 Calcularea semnalului de referin n domeniul frecven ........................................................... 55 3.3 Concluzii ............................................................... 62 Bibliografie .................................

64

4 Simularea filtrelor active de putere ............................................................................................ 65 4.1 Modelarea matematic a sistemului ......................................... 65 4.2 Analiza sarcinii neliniare ...................................................................................................................... 71 4.3 Strategii de control ........................................................................................................... 82 4.4 Modelul Simulink al filtrului activ ............................................................................... 91 4.5 Rezultatele simulrii filtrului activ ............................................................................... 94 4.6 Concluzii ............................................................................................................... 101 Bibliografie .................................................................................................................

101

5 Stabilirea parametrilor de baz i proiectarea filtrului activ de putere .............................................. 102 5.1 Incrcarea filtrului ............................................................. 102 5.2 Inductana de ieire a filtrului ............................................................... 105 5.3 Condensatorul de filtrare .......................................................................... 108 5.4 Filtrul pasiv pentru frecvena de comutaie .................................................................. 110 5.5 Dimensionarea elementelor de baz ......................................................... 115 5.6 Concluzii ........................................................... 120 Bibliografie .................................................................

120

6 Rezultate experimentale ............................................................................... 121 6.1 Bancuri de test .................................................................................. 121 6.2 Incadrarea n prevederile standardelor .................................................................................. 122 6.3 Sistemul de comand n timp real dSPACE .......................................................................... 128

6.4 Implementarea strategiei de control pe platforma dSPACE ................................................................. 132 6.5 Rezultate experimentale pe bancul de test de putere redus .................................................................... 137 6.6 Rezultate experimentale pe bancul de test de putere medie ..................................................................... 142 6.7 Concluzii ............................................................... 149 Bibliografie .................................

151

7 Concluzii ................................................................................................................................... 152

4 Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice

INTRODUCERE In sistemele energetice moderne consumatorii neliniari au o pondere din ce n ce mai mare; folosirea pe scar larg a acionrilor reglabile de curent alternativ, avnd redresoare cu diode ca prim etaj de conversie, a acionrilor de curent continuu bazate pe redresoare cu tiristoare, a cicloconvertoarelor are drept consecin cre-terea coninutului de armonici a curentului absorbit de consumatori. Dezavantajele acestor armonici de curent sunt binecunoscute: disipaie crescut de putere n cabluri, transformatoare, maini electrice, i condensatoare. In sistemele trifazate cu nul, armonicile multiplu de trei se adun n conductorul de nul, astfel nct curentul din acest conductor ajunge la valori inacceptabile. Armonicile de curent provoac distorsionarea tensiunii de alimentare a tuturor consumatorilor, deci sunt afectai i consumatorii liniari, care nu genereaz armonici de curent. Armonici-le accelereaz procesele de mbtrnire a izolaiei i micoreaz durata de via a instalaiilor. Scopul lucrrii de fa este de a genera cunotiine cu privire la calitatea energiei, modelarea consuma-torilor neliniari, nelegerea profund a problemelor create de generarea armonicilor n sistemul de alimentare precum i de a furniza soluii viabile pentru eliminarea efectelor negative ale prezenei consumatorilor neliniari. Lucrarea este strns legat de dou programe de cercetare desfurate n anii din urm n cadrul Cen-trului de Cercetare Echipamente de conversie electromecanic a energiei (ECCE) de pe lng Catedra de Ma-ini, Materiale i Acionri Electrice a Facultii de Electrotehnic. Programele au fost coordonate de D-l Prof. dr. ing. Rzvan Mgureanu. Primul program de cercetare se intituleaz Echipamente pentru asigurarea calitii sistemelor de alimentare cu energie electric pentru instalaii industriale i este parte a Programului Naional RELANSIN (contract nr. 7921/12.02.2001). Cel de-al doilea program se intituleaz Techniques and Equipments for Quality and Reliability of Electrical Power (TEQREP) i s-a desfurat n cadrul programului european Energy, Environment, and Sustainable Development, una dintre direciile principale din programul european FP 5 (Project nr. ENK-CT-2002-80662). Preocuprile autorului privind impactul proliferrii convertizoarelor statice de putere i creterea calit-ii energiei electrice se ntind pe mai bine de un deceniu. O prim lucrare a fost abordat la SC Electrotehnica SA, n cadrul unui contract de cercetare intitulat Formator activ de curent de reea pentru sisteme de alimentare cu factor de putere unitar i armonici reduse (Contract nr. 421.03/21.07.1994 - Beneficiar DIEEMF). Prototipul a-cestui convertizor trifazat cu absorbie sinusoidal, cu bloc de comand analogic a intrat apoi n dotarea Univer-sitii Politehnica Bucureti, iar n perioada 1998-2001 lucrarea a fost continuat aici, cu participarea autoru-lui, de D-l dr. ing. Sergiu Ambrosii, sub conducerea D-lui Prof. dr. ing. Rzvan Mgureanu, prin aprofundarea n-elegerii fenomenelor legate de emisia armonicilor i elaborarea unui algoritm de comand digital, folosind pro-cesoare de semnal. In perioada 2003-2004, autorul - detaat de la SC Electrotehnica SA - a lucrat timp de un an la Universitatea Politehnica Bucureti, n cadrul colectivului de cercetare coordonat de D-l Prof.dr.ing. Rzvan Mgureanu. Astfel a fost posibil parcurgerea integral a ciclului de concepie a unui filtru activ de putere medie: referenial, documentaie prototip, experimentri. A fost realizat un banc de test, dotat cu un consumator care genereaz armonici. Testele detaliate, care fac obiectul lucrrii de fa s-au desfurat n laboratoarele Univer-sitii Politehnica Bucureti. Partea de for a filtrului activ a fost asamblat la societatea Electrotehnica SA, folosind componente achiziionate de la firma SEMIKRON (Germania). Blocurile electronice de condiionare ana-logic i interfa au fost concepute de autor i au fost asamblate de societatea Electrotehnica SA. A fost elaborat o metod de compensare a curentului armonic absorbit de acionrile reglabile cu motoare de curent continuu sau alternativ, care au o pondere important pe ansamblul consumatorilor industriali. Algoritmul de comand a fost implementat pe un controler tip DS 1104 de la firma dSPACE GmbH (Germania), utiliznd platforma de pro-gramare Matlab - Simulink - dSPACE. Lucrarea conine 170 de pagini, 155 de figuri, 10 tabele, 92 de referine bibliografice i este format dintr-o prefa i 7 capitole.

Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice 5

Cap. 1 Calitatea energiei electrice n sistemele electroenergetice

Energia electric este considerat n prezent un produs, livrat de furnizor consumatorilor. Termenul de ca-litate a energiei electrice (Power Quality) a fost propus de IEEE (SUA) i preluat de majoritatea publicaiilor de limb englez. Calitatea energiei electrice, conform IEEE reprezint conceptul alimentrii i legrii la pmnt a e-chipamentelor sensibile, ntr-un mod care s permit funcionarea corect a acestora. Dar, n publicaii, termenul este utilizat ntr-un mod mult mai larg, referindu-se att la problema polurii armonice, generate de sarcinile nelini-are, ct i la alte tipuri de perturbaii electromagnetice.

Pe plan mondial, relaia furnizor de energie electric consumator este definit de o serie de ali termeni. Astfel, Comisia Electrotehnic Internaional folosete termenul compatibilitate electromagnetic (Electromag-netic Compatibility EMC), cu definiia: aptitudinea unui echipament sau sistem de a funciona satisfctor n me-diul su electromagnetic, fr s produc perturbaii intolerabile n orice se afl n acel mediu.

Echipamentele noi (majoritatea - sarcini neliniare din punct de vedere electric) sunt de cele mai multe ori puternic afectate de calitatea redus a energiei electrice i, totodat, aceste echipamente reprezint, n multe cazuri, surse de perturbaii electromagnetice. Pot fi enumerate patru argumente majore [1.1], care justific interesul mani-festat pentru domeniul calitii energiei electrice:

(i) Echipamentele moderne sunt mai sensibile la reducerea calitii energiei electrice, datorit faptului c au n componena lor sisteme de control bazate pe microprocesoare.

(ii) Dispozitivele semiconductoare de putere au devenit omniprezente n procesele de conversie a energiei elec-trice.

(iii) Consumatorii au devenit mai contieni i mai bine informai asupra impactului pe care l au perturbaiile e-lectromagnetice asupra echipamentelor electrice i proceselor tehnologice i, ca urmare, cer furnizorilor s le ofere energie electric la parametrii de calitate contractai.

(iv) Creterea complexitii sistemelor energetice antreneaz influene crescute att ntre sisteme i utilizatori, ct i ntre consumatorii racordai la acelai sistem de alimentare.

1.2 Reglementri referitoare la calitatea energiei electrice Reglementrile referitoare la calitatea energiei electrice au scopul de a preciza domeniul admis al indicato-rilor de calitate, n care trebuie s se ncadreze furnizorul i domeniul admis al perturbaiilor introduse n reeaua e-lectric, n care trebuie s se ncadreze consumatorul. In domeniul calitii energiei exist norme tehnice elaborate:

la nivel mondial, de ctre Comisia Electrotehnic Internaional IEC/CEI; la nivel european, de ctre CENELEC (Comit Europen de Normalization lectrotechnique); la nivel naional, de ctre Asociaia de Standardizare din Romnia ASRO; la nivel individual (societi comerciale).

In prezent diferenele ntre normele adoptate n domeniul electrotehnic la diferite nivele se estompeaz i, treptat, dac evoluia va continua, este de ateptat ca aceste diferene s dispar. Comisia Electrotehnic Internaio-nal a modificat sistemul de numerotare al standardelor sale, n vederea publicrii documentelor ntr-o form unita-r pe plan mondial. In urma unui acord [1.2] ntre CENELEC i CEI (care stabilete participarea reprezentanilor CENELEC la deciziile CEI), n viitor, standardele europene generale armonizate vor fi identice cu standardele ge-nerale CEI; aceasta implic o modificare a numerotrii (de exemplu, EN 61000-6-2 va nlocui EN 52082-2). Aso-ciaia de Standardizare din Romnia ASRO promoveaz standardele CEI i CENELEC ca standarde naionale. Sunt prevzute trei proceduri de adoptare a unui standard internaional sau european ca standard romn [1.3], [1.4]: (i) publicarea unei versiuni n limba romn, (ii) publicarea prin reproducere a versiunii originale (ntr-o limb de circulaie), (iii) publicarea unei file de confirmare a adoptrii. In domeniul compatibilitii electromagnetice, reglementrile sunt incluse n seria de standarde internaionale IEC 61000 (CEI) i seriile paralele - EN 61000 (CENELEC), respectiv SR CEI 61000 (ASRO). Dimensiunea (peste 70 de standarde - pn n prezent) i structura standardului internaional IEC 61000 (diferite pri consacrate terminologiei, descrierii fenomenelor electromagnetice, metodelor de msurare i testare, liniilor directoare pentru instalare i atenuare) reflect complexitea subiectelor legate de compatibilitatea electromagnetic. In final, seria IEC 61000 va conine 9 pri; titlurile prilor 7 i 8 sunt nc deschise. 1.3 Surse de armonici

In prezent echipamentele care conin convertizoare statice sunt principala surs de poluare armonic a ree-lei de JT. Dispozitivele semiconductoare de putere din componena convertizoarelor conduc numai o fraciune de perioad a componentei fundamentale. Proprietile speciale ale conversiei statice a energiei se obin n acest mod; ca urmare, convertizoarele statice absorb un curent puternic distorsionat.

6 Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice Sarcinile de putere mic sunt reprezentate n principal de aplicaiile electrocasnice, birotic, tehnic de calcul. Puterea acestor sarcini reprezint o fraciune neglijabil din puterea de scurtcircuit n punctul de racord, iar consumatorii nu trebuie s dein o aprobare special pentru conectarea acestor sarcini. Reglementrile avute n ve-dere pentru limitarea armonicilor se adreseaz productorilor de aparate de putere mic, nu consumatorilor. Sarcinile de putere mare sunt cazuri speciale, care fac obiectul unor relaii speciale ntre furnizor i consumator. Aceste sarcini se racordeaz de regul pe IT, unde impedana reelei este redus, deci consecinele absorbiei unor cureni distorsionai sunt i ele reduse. Ne vom concentra atenia asupra consumatorilor industriali de putere medie, racordai la MT sau JT, care au o pondere important n totalul polurii armonice i pentru care se pune acut problema limitrii acestei poluri. Exemple de astfel de echipamente sunt: acionrile reglabile cu motoare de curent continuu sau alternativ, sursele de alimentare nentrerupt (UPS), instalaiile de sudare. Interfaa cu reeaua de alimentare este, n majoritatea cazu-rilor, un redresor. Redresoarele sunt cele mai rspndite mutatoare. Pot fi ntlnite att ca echipamente independen-te (acionri de curent continuu, redresoare pentru ncrcarea bateriilor de acumulatoare, redresoare de electroliz sau galvanizare, substaii de traciune urban), ct i ca elemente constitutive ale convertizoarelor de frecven pen-tru acionarea motoarelor de curent alternativ, ale instalaiilor de clire sau topire inductiv. 1.4 Consecine negative ale prezenei armonicilor n curentul absorbit de la reea Sarcinile neliniare absorb un curent nesinusoidal, chiar n condiii de alimentare cu tensiuni perfect sinusoidale. Efectul funcionrii unei sarcini neliniare n reeaua electric se poate reprezenta printr-un generator de curent care injecteaz armonica de ordin h. In punctul comun de cuplare (PCC) tensiunea este distorsionat (conine armonici de tensiune), ca urmare a prezenei armonicii de curent Ih

( ) hSTRhPCC IZZV +=)( (1.1) iar aceast tensiune distorsionat se aplic celorlali consumatori conectai n PCC. Un prim efect al prezenei armonicilor de tensiune este creterea valorii efective i a valorii de vrf a tensiunii. Alte consecine negative ale prezenei armonicilor de tensiune sunt: (i) creterea pierderilor n fier i cupru n instalaiile respective, deci solicitri termice sporite; (ii) declanri ale proteciilor termice; (iii) arderea patroanelor fuzibile; (iv) mbtrnirea accelerat a izolaiei. Echipamentele care folosesc tensiunea reelei ca referin pot avea probleme de sincronizare. Consumatorii monofazai care au un coninut ridicat de curent de armonica a 3-a provoac o cretere nsemnat a curentului de nul, deoarece aceste armonici sunt n faz i se adun pe conductorul de nul.

Cap. 2 Filtre active de putere

Filtrele active sunt convertoare statice de putere, care pot ndeplini diverse funciuni. Schemele de filtrare actuale permit sintetizarea oricrei forme de curent cu componente armonice de frecvene relativ ridicate, suficiente pentru cele mai multe cazuri practice i la niveluri de putere din ce n ce mai mari.

2.1 Mijloace pentru limitarea emisiei perturbatoare sub form de armonici Consumatorul industrial poate opta n principiu pentru una din urmtoarele soluii: (i) renun la echipamentele care absorb curent distorsionat i investete n echipamente noi, care conin circuite de corectare, astfel nct curentul absorbit este sinusoidal i n faz cu tensiunea reelei sau (ii) pstreaz echipamentele din dotare i investete n mijloace pentru limitarea emisiei perturbatoare sub form de armonici, care vor funciona mpreun cu echipamentele existente: filtre active, pasive sau hibride. Termenul filtru activ de putere are un caracter larg i se aplic unei categorii de circuite electronice de putere care nglobeaz dispozitive semiconductoare de putere i elemente pasive pentru stocarea energiei - inductane sau condensatoare. Funciile filtrelor pot fi diferite, n funcie de aplicaie. Exist dou configuraii posibile, n funcie de tipul sarcinii - echilibrate sau nu pe cele trei faze. Pentru sarcini echilibrate se folosete un filtru trifazat, care funcioneaz astfel nct s elimine armonicile ntr-o msur ct mai mare. Pentru sarcini dezechilibrate se prefer utilizarea a trei compensatoare monofazate, dar exist i structuri cu patru brae, cu dezavantajul c ncrcarea braului de nul este de obicei mai mare dect a celorlaltor trei brae.

2.2 Amplasarea filtrelor active Filtrele de armonici se pot amplasa la utilizator sau la furnizorul de energie electric. Filtrele de la furnizo-rii de energie sunt de puteri mari i, deocamdat, n cele mai multe cazuri, este vorba de filtre pasive.

Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice 7 Utilizatorii pot amplasa filtrele (i) n PCC, de unde se preia o informaie global de curent; astfel se pot compensa armonicile generate de ansamblul echipamentelor instalate la utilizator (compensare global); o alt va-riant de amplasare, preferat n unele cazuri de utilizator, este (ii) situarea filtrului activ n punctul de racord al u-nui consumator important, generator de armonici de curent; informaia de curent preluat de aici permite compen-sarea armonicilor acelui consumator (compensare individual). Pentru a rezolva problemele legate de proliferarea echipamentelor generatoare de armonici, furnizorii de e-nergie stimuleaz din ce n ce mai mult consumatorii industriali importani s ia msuri n conformitate cu regle-mentrile adoptate sau n curs de adoptare. Dei reglemetrile pentru aceti consumatori (IEEE 519, CEI/TS 61000-3-6) se aplic numai la PCC - interfaa dintre consumator i furnizorul de energie - n ultima vreme se observ o tendin de aplicare a acestor standarde ca specificaii de produs, ceea ce este, desigur, o abordare greit. Dar ten-dina este suficient de puternic pentru a determina unii productori de echipamente s includ filtre active n instalaiile generatoare de armonici, astfel nct comportarea global a instalaiilor s se mbunteasc. Pentru a justifica creterea simitoare a preurilor, productorii anun faciliti suplimentare, n afar de compensarea armonicilor: protecia mpotriva cderilor temporare de tensiune, compensarea flickerului, compensarea puterii reactive, amortizarea fenomenelor de rezonan.

2.3 Modul de conectare i topologia filtrelor active Modul de conectare joac un rol extrem de important n alegerea aplicaiei. Circuitul de putere se poate co-necta n dou moduri de baz: n paralel sau n serie. Filtrul paralel

Structura paralel (fig. 2.4) este cea mai rspndit. Filtrul activ compenseaz coninutul de armonici al cu-rentului de sarcin, care ar fi fost injectat n reeaua de alimentare n lipsa compensrii. In funcie de structur i de modul de comand, aceast topologie are posibilitatea de a realiza compensarea puterii reactive i echilibrarea cu-renilor pe cele trei faze. Filtrul conduce doar curentul de compensare (plus un adaos nesemnificativ pentru com-pensarea pierderilor din sistem); acesta este un avantaj extrem de important al conectrii n paralel. Totodat, mai multe uniti de acest tip se pot conecta n paralel, pentru a obine o cretere a puterii totale a sistemului. Astfel de filtre se implementeaz cu invertoare de tensiune comandate n curent.

Filtru activparalel

Sarcinaneliniara

Sarcinaneliniara

Transformator

Filtru activserie

Fig. 2.4 Filtru activ conectat n paralel.

Fig. 2.5 Filtru activ conectat n serie. Filtrul serie

Filtrul activ din fig. 2.5 este conectat n serie cu sarcina neliniar, prin intermediul unui transformator; de remarcat c utilizarea transformatorului nu este facultativ, ci este obligatorie, intrinsec acestei topologii. Strategia de comand a filtrului serie urmrete s produc o astfel de tensiune n primarul transformatorului, care - adugat la / sczut din ten-siunea de alimentare - asigur o tensiune pur sinusoidal la bornele sarcinii. Astfel de filtre se implementeaz cu invertoare de tensiune fr bucl de curent. Dezavantajul principal al filtrelor serie este c trebuie s conduc tot curentul de sarcin. In plus fa de structura paralel este necesar un element costisitor i cu dimensiuni ancombrante: transformatorul de adap-tare. Nu n ultimul rnd, sunt necesare msuri speciale de protecie n caz de scurtcircuit al sarcinii. Structura serie este menionat n literatur, dar nu exist informaii despre sisteme industriale realizate n acest mod.

Combinaii de filtre Un interes aparte l prezint combinaia dintre filtrul activ paralel i filtrul pasiv paralel. Filtrul pasiv din fig. 2.8 se proiecteaz astfel nct s se elimine n mare msur armonicele joase - de exemplu 5, 7, 11, 13 - care au

8 Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice o pondere important, iar filtrul activ este dimensionat pentru un curent nominal mai redus, deoarece trebuie s eli-mine doar restul spectrului nedorit al curentului de sarcin [2.4]. O asemenea structur permite scderea costurilor n abordarea aplicaiilor de putere medie, dar numrul i dimensiunile componentelor de putere necesare reprezint un dezavantaj. De asemenea, din cauza structurii fixe a filtrului pasiv, soluia este adecvat pentru sarcini al cror spectru este cunoscut i studiat n prealabil. Adgarea ulterioar a unor consumatori (noi investiii) poate conduce la suprancrcarea filtrului pasiv. Filtrul activ din fig. 2.9 se instaleaz n serie cu bateria de condensatoare pentru compensarea puterii reacti-ve [2.3] sau cu un filtru pasiv [2.5]. Topologia filtrului activ este de invertor de tensiune cu comand n curent. A-vantajul principal al acestei configuraii const n dimensionarea dispozitivelor semiconductoare la un nivel de pa-tru ori mai redus dect ntr-un filtru activ paralel echivalent; filtrul pasiv (filtre acordate pe armonicile 5 i 7 n structura descris n [2.5] sau filtrul format de inductivitatea de magnetizare a transformatorului, mpreun cu bate-ria de condensatoare, n structrura descris n [2.3]) degreveaz n mare msur filtrul activ.

Filtru activparalel

Sarcinaneliniara

Filtrupasivparalel

Sarcinaneliniara

Filtrupasivparalel

Filtru activserie

Fig. 2.8 Combinaie filtru activ paralel - filtru pasiv paralel.

Fig. 2.9 Filtru activ n serie cu filtrul pasiv paralel.

Cap. 3 Tehnici de estimare a semnalului de referin

S-a artat n capitolul precedent c soluia care n prezent ntrunete avantajele cele mai multe i are cele mai puine dezavantaje este filtrul activ paralel realizat cu invertor de tensiune comandat n curent. Sistemul de comand al unui asemenea filtru activ trebuie s rezolve urmtoarele probleme: (i) s identifice coninutul armonic i s formeze un semnal de referin sincronizat; (ii) s regleze curentul de ieire n bucl nchis, astfel nct s urmreasc referina; (iii) s regleze tensiunea continu.

Estimarea semnalului de referin este un element crucial n structura filtrului activ de putere, iar la o privire atent se constat c estimarea curentului de referin nu este o parte integrant a buclelor de reglare, ci este mai curnd o activitate independent, care furnizeaz mrimile de referin la intrarea buclelor de reglare. De aceea, acest capitol este consacrat n exclusivitate acestei probleme.

3.1 Calcularea semnalului de referin n domeniul timp 3.1.1 Calcularea semnalului de referin cu metoda puterilor instantanee p-q

In 1983, Akagi i alii, [3.1], au propus teoria generalizat a puterii reactive instantanee sau teoria p-q. Aceast metod s-a nscut din necesitatea de a crea o baz teoretic pentru funcionarea echipamentelor statice de compensare a variaiilor rapide ale puterii reactive, cum sunt variaiile cauzate de funcionarea cuptoarelor cu arc. Scopul teoriei puterilor instantanee p, q este de a extrage componentele de curent care nu contribuie la puterea in-stantanee activ i s elaboreze legea de comand pentru compensarea acestora fr ntrzieri n timp. Posibilitatea intrinsec a invertorului n punte trifazat de a urmri o referin de curent de form arbitrar a condus n mod na-tural, pe msur ce frecvenele de comutaie au putut fi mrite suficient, la apariia aplicaiilor de compensare a dis-torsiunilor produse de sarcinile neliniare - a filtrelor active de putere.

Akagi, creatorul metodei, a definit termenul de putere instantanee, care se descompune n putere instan-tanee activ i putere instantanee reactiv; acestora le corespund curentul instantaneu activ i curentul in-stantaneu reactiv. Au fost propui i ali termeni. Astfel, Cristaldi i Ferrero [3.2] definesc puterea instantanee hi-

Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice 9 percomplex, care se descompune n putere instantanee real i putere instantanee imaginar, iar curenii co-respunztori sunt curentul instantaneu real i curentul instantaneu imaginar. Willems [3.3] definete puterea scalar instantanee reactiv. Au fost propui, de asemenea termenii putere fictiv, curent nonactiv sau curent deactiv [3.4], [3.5]. In cele ce urmeaz vom folosi terminologia lui Akagi, dar contribuiile altor autori n clarifica-rea conceptelor vor fi menionate. Celelalte fomulri sunt mai curnd interpretri matematice diferite (geometrice, algebrice) ale teoriei lui Akagi. Intr-un sistem format din reeaua de alimentare, o sarcin deformant i un filtru activ paralel se msoar curenii i tensiunile n cele trei faze. Unitatea de comand calculeaz curentul instantaneu reactiv. Filtrul activ urmrete referina suficient de rapid i cu erori neglijabile, astfel nct curentul de compensare este chiar curentul instantaneu reactiv; dup compensare, reeaua de alimentare furnizeaz numai curentul instantaneu activ. Puterea instantanee activ1 pL(t) se definete ca produsul scalar dintre vectorul tensiune v(t) i vectorul curent iL(t)

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )TL a La b Lb c Lcp t t t v t i t v t i t v t i t= = + + Lv i (3.1) Vectorul putere instantanee reactiv qL(t) este definit ca produsul vectorial dintre tensiune i curent

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

b Lc c Lb

c La a Lc

a Lb b La

v t i t v t i tt t t v t i t v t i t

v t i t v t i t

= =

L Lq v i (3.2)

La o anumit putere instantanee activ transferat, pierderile minime se obin n cazul puterii instantanee reactive nule; pentru compensarea puterii instantanee reactive este necesar ca toate cele trei componente ale vectorului putere instantanee reactiv s fie nule. Referina compensatorului trebuie s fie un vector qF(t) ale crui componente s fie opuse vectorului qL(t) al sarcinii de compensat. Mrimea scalar ||qL(t)|| nu conine suficient informaie pentru a calcula compensarea. Pentru calculul referinei compensatorului este util s se treac mrimile caracteristice din sistemul de referin (a, b, c) n sistemul de referin (, ) utiliznd transformarea Clark (normalizat). Vectorii tensiune i curent n coordonate (, ) se obin aplicnd transformarea Clark vectorilor corespunztori n coordonate (a, b, c). Akagi, [3.1], definete puterea instantanee reactiv ca vectorul

(t) (t) (t) (t) (t) + L Lv i v iLq = (3.3) care este perpendicular pe planul coordonatelor (, ). Deoarece direcia este cunoscut, puterea instantanee reactiv qL(t) poate fi tratat ca o mrime algebric, la care intereseaz doar semnul

( )L L Lq t v i v i = (3.4) Acest rezultat relev un aspect important, [3.3]: transformarea Clark nu este necesar pentru definirea conceptelor de putere sau curent instantaneu activ() / reactiv(). Avantajul notabil al trecerii n coordonate ortogonale (, ) este c produsul vectorial poate fi astfel asociat cu o mrime algebric (scalar).

Cazul 1 Se realizeaz compensarea puterii reactive i a armonicilor de curent [3.7]

Scopul propus este de a absorbi de la reea cureni sinusoidali i n faz cu tensiunea corespunztoare a reelei. In acest caz, reeaua debiteaz numai putere activ constant i nu debiteaz putere reactiv

Termenul variabil al puterii active de compensat este , ~( ) ( ) ( ) ( ) ( )F S L L L Lp t p t p t P p t p t= = = (3.5)

Energia echivalent acestei componente nu trebuie absorbit de la reea, deoarece ea este livrat sarcinii de ctre filtru. Pu-terea reactiv qL(t) trebuie compensat de ctre filtru

( ) ( )F L L Lq t q t v i v i = = + (3.6) Calculele necesare pentru estimarea semnalelor de curent de referin n cazul n care se realizeaz

compensarea puterii reactive i a armonicilor de curent sunt prezentate n fig. 3.5.

3.1.2 Calcularea semnalului de referin n sistemul de referin rotitor sincron d-q Ca i la metoda puterilor instantanee se trece de la sistemul n coordonate (a, b,c) la sistemul n coordonate (, ); se calculeaz tensiunile v, v i curenii iL, iL. Apoi, cu ajutorul transformrii Park se trece de la sistemul fix de coordonate

1 In teoria clasic puterea p(t) astfel definit este putere instantanee, fr adjectivul activ. In teoria puteri-lor instantanee p, q folosirea adjectivul activ este justificat prin faptul c aceast putere este legat de con-ceptul de curent instantaneu activ.

10 Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice (, ) la sistemul rotitor sincron de coordonate (d, q). Direcia axei d se alege astfel nct s coincid cu vectorul tensiune instantanee v(t).

Strategia de comand a filtrului activ pentru compensarea armonicilor, fr compensarea puterii reactive, const n eliminarea componentelor continue din iLd, iLq, aa cum se arat n fig. 3.8. Deoarece puterea instantanee nu mai apare explicit n calcule, n unele lucrri se vorbete de o metod diferit, care se bazeaz pe filtrarea curen-ilor [3.8]. Dup eliminarea componentelor continue se inverseaz restul de semnal i se obin curenii de referin n antifaz, iar apoi se revine la sistemul de coordonate (a, b,c).

Calculp, q

CalculiF ,iF*

abc

iF*

iF*

iFa*iFb*

iFc*

abc

iLa

iLbiLc

iL

iL

p

q

abc

va

vbvc

vdc

vdc*+

-

+-+

P

v

v

WS/T

-1

Fig. 3.5 Schema de calcul pentru estimarea semnalelor de curent de referin ale filtrului activ, n cazul n care se realizeaz compensarea puterii reactive i a armonicilor.

Trecerea n sistemul de referin sincron (d, q) nu este indispensabil pentru calculul puterilor instantanee i al referinelor de curent ale filtrului activ. Totui, trecerea n sistemul de referin rotitor aduce avantaje importante: (i) componentele de frecven fundamental ale curentului devin semnale continue, ceea ce permite realizarea unor bucle de reglare ale curentului de calitate net superioar n ceea ce privete eroarea staionar, iar (ii) puterile instantanee pot fi controlate independent, prin intermediul unor bucle separate de curent. In cazul filtrelor active comandate prin procedee legate de teoria puterilor instantanee, calitatea performanelor de ansamblu ale filtrului este strns legat de calitatea reglrii curentului, deci aceste avantaje legate de regulatoarele de curent ale filtrului sunt decisive. Din acest motiv, trecerea n coordonate (d, q) este o practic recomandabil. 3.2 Calcularea semnalului de referin n domeniul frecven

Metodele de calcul al semnalului de referin n domeniul frecven sunt aplicabile att la sistemele mono-fazate, ct i la cele trifazate. Toate metodele de acest tip se bazeaz pe analiza Fourier clasic. Diveri autori au prezentat algoritmi care conduc fie la micorarea timpului de calcul, fie au alte avantaje. Cel mai cunoscut algoritm este transformata Fourier rapid FFT (Fast Fourier Transform). Transformata Fourier discret necesit N(N-1) adunri complexe i N2 nmuliri complexe, care se reduc n cazul algoritmului FFT la Nlog2N adunri complexe i (N/2)log2N nmuliri complexe. Algoritmul FFT este disponibil n prezent n bibliotecile asigurate de furnizorii procesoarelor de semnal sau al programelor de calcul i simulare (de exemplu Matlab).

3.2.1 Calcularea semnalului de referin prin filtrarea selectiv a armonicilor

Mai nti se calculeaz spectrul semnalului folosind transformata FFT. Apoi se nltur componenta funda-mental i se pondereaz armonicile (de exemplu, ponderarea cu zero nseamn c acea armonic nu este compen-sat). Se aplic transformata FFT invers coninutului armonic, iar dup inversarea rezultatului se obine semnalul de referin pentru compensare. Din cauza timpului de achiziie (cel puin o perioad complet a tensiunii de alimentare de la reea) i a timpului de calcul relativ lung, metodele bazate pe analiza armonic a semnalului au, de regul, un timp de rspuns de ordinul 1..2,5 perioade ale tensiunii de alimentare. Semnalul de referin pentru perioada n curs este calculat pe baza unei perioade precedente a semnalului, deci pe baza unei predicii fcute

Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice 11 anterior. Pentru ca aceast predicie s fie posibil, este necesar ca sarcina neliniar de compensat s fie previzibil, cu alte cuvinte semnalul de compensat s fie periodic, deci spectrul su s conin armonici discrete, multipli ntregi ai frecvenei de alimentare.

abc

iLa

iLbiLc

iL

iL

abc

va

vbvc

vdc

vdc*+

-

v

abc

iF*

iF*

iFa*iFb*

iFc*

+

-

+-

+

ILq

e-j

iLd

iLq

sin

cos

v

ILd

ej

iFd

iFq

Fig. 3.8 Schema de calcul n coordonate (d, q) pentru estimarea semnalelor de curent de referin al filtrului activ (se realizeaz numai compensarea armonicilor de curent).

Principiul metodei [3.19] este ilustrat n fig. 3.19. Matricea de corecie permite selectarea armonicelor care

urmeaz a fi compensate i n ce proporie. Un coeficient zero n matrice nseamn c acea armonic nu se compen-seaz, un coeficient unitar nseamn compensare integral. Astfel este posibil excluderea unor armonice aflate n vecintatea unor frecvene de rezonan ale sistemului, care pot apare, de exemplu n cazul utilizrii simultane a u-nui echipament de compen-sare a factorului de putere cu baterii de condensatoare. In cazul n care acest echi-pament coexist cu instala-ii care genereaz armonici, este o practic obligatorie introducerea unor bobine de amortizare n serie cu trep-tele de condensatoare. Un alt caz n care excluderea u-nei poriuni a spectrului es-te necesar: atunci cnd fur-nizorul de energie transmite semnale prin liniile de a-limentare i atenuarea aces-tor semnale de ctre filtrul activ este, desigur, nedorit. Pentru a compensa ntrzierea inerent introdus de regulatorul de curent, se folosete referina de curent calculat pe baza informaiei achiziionate cu dou perioade n urm, dar decalat n avans cu un numr de eantioane (de regul 2..4 eantioane).

3.2.2 Calcularea semnalului de referin prin extragerea componentei fundamentale cu ajutorul analizei Fourier Metoda const din calcularea cu ajutorul transformatei Fourier a componentei fundamentale, care apoi se extrage din semnalul msurat, pentru a obine coninutul de armonici - semnalul de referin pentru filtrul activ, [3.22]. Aceast metod nu permite selectarea armonicelor de compensat.

PLL

FFT

K0K1K2

.

.

.Kn-1

FFT -1

iLa(t)

iLb(t)

iLc(t)

i*Fa(t)

i*Fa(t)

i*Fa(t)

Matricede

compensare

tf ft Fig. 3.19 Schema de calcul al semnalelor de curent de referin ale filtrului activ prin analiz armonic.


Pentru a realiza ex-tragerea componentei fundamentale din curen-tul de sarcin, valorile instantanee ale celor doi coeficieni trebuie cu-noscute n timp real. Cu alte cuvinte, ecuaiile trebuie evaluate la fiecare pas de eantio-nare. Soluia este fo-losirea unei ferestre a-lunectoare de calcul de limea unei perioade, care se termin la mo-mentul curent. Se uti-lizeaz o formul recu-rent, n care calculele se desfoar ntre dou

limite alunectoare. Pentru a micora numrul de operaii, coeficienii se calculeaz o singur dat, la punerea sub tensiune (iniializarea sistemului), apoi se face actualizarea lor la fiecare pas. Timpul de calcul este limitat de perioada de comuta-ie, care este de 50...100s. Termenii succesivi ai sumelor se calculeaz la fiecare pas de eantionare i se memoreaz n dou tablouri circulare (circular arrays), aa cum se arat n fig. 3.21. La fiecare pas de eantionare, termenul vechi (calculat cu N pai n urm, deci cu o perioad n urm) se scade din sum i n locul su se adun termenul nou (calculat la pasul curent). Tabloul este actualizat: termenul nou este introdus n locul celui vechi. Pointerul se mut la elementul urmtor al tabloului.

Cap. 4 Simularea filtrelor active de putere

4.2 Analiza sarcinii neliniare

4.2.5 Modelul Simulink al consumatorului neliniar Pentru studierea coninutului de armonici al consumatorului neliniar ce urmeaz a fi compensat, a fost ela-borat un model al redresorului cu tiristoare utiliznd pachetul de programe Matlab - Simulink i module din setul auxiliar de instrumente PowerSys. Redresorul (fig. 4.12) este constituit dintr-o punte trifazat cu triristoare (dispo-nibil n biblioteca setului PowerSys), un generator de impulsuri de aprindere i un regulator de curent. Pe fiecare tiristor se aplic dou impusuri decalate la 60: impulsul su de aprindere i impulsul tiristorului urmtor n ordinea de aprindere. Aceast precauie este necesar pentru a asigura pornirea punii la punerea sub tensiune. La pornire, impulsurile de aprindere sunt trimise la 150 i apoi se deplaseaz spre valori mai mici ale unghiului de aprindere, n poziia dictat de regulatorul de curent. 4.2.6 Rezultele simulrii consumatorului neliniar In fig. 4.16 se prezint rezultatele simulrii i formele de und obinute experimental pentru consumatorul neli-niar. Au fost comparate evoluia n timp i spectrul curentul absorbit de redresor la diferite valori ale curentului, dar cu a-ceiai parametri de funcionare (aceeai bobin de reea i aceeai sarcin la ieirea redresorului). S-a constatat c factorul de distorsiune al curentului scade odat cu creterea curentului. Comparaia dintre rezultatele simulrii din fig. fig. 4.16 a, b i rezultatele experimentale din fig. 4.16 c, d demonstreaz acurateea modelului de simulare. Pe oscilograme se observ o uoar asimetrie a curentului absorbit de redresor, din cauza asimetriei sistemului de aprindere utilizat: exist mici diferene ntre cele trei generatoare de tensiune liniar variabil de pe cele trei faze, folosite pentru realizarea unghiului de aprindere (sistemul de comand al redresorului este analogic). Asimetria din fig. 4.16, c const n forme diferite ale semiperioadei pozitive i nega-tive. Aceast asimetrie se reflect n spectrul din fig. 4.16, d prin armonici pare mai mari dect valorile simulate; factorul de distorsiune mai mare pentru rezultatele experimentale provine de la aceste armonici pare.

Tablouri

Suma veche Termen vechi Termen nou Suma noua

Calculareatermenului

nou

Pointer circular

+- =

s(k)cos (2/N)ks(k)sin (2/N)k

Fig. 3.21 Modul de calcul al coeficienilor Fourier.


Fig. 4.12 Modelul Simulink al redresorului trifazat cu tiristoare. Schema de ansamblu.

4.3 Strategii de control

Calitatea reglrii curentului este o condiie decisiv pentru calitatea compensrii armonicilor. Erorile sau ntrzierile n reglarea curentului pot avea drept consecin nu numai faptul c nu se compenseaz unele armonici, dar pot apare armonici noi, create de filtru, care nu exist n curentul absorbit de consumatorul neliniar, ntr-un cu-vnt n loc de compensare se ajunge la o nrutire a distorsiunilor. Regulatorul de curent trebuie s asigure eroare staionar nul, iar ntrzierile s fie la un nivel minim; se pot folosi blocuri de predicie pentru compensarea ntr-zierilor.

Dup cum s-a artat n cap. 3, extragerea componentelor armonice se poate realiza n sisteme de referin fixe - (a, b, c) sau (, ) - sau n sistemul de referin rotitor sincron (d, q). Desigur, i reglarea curentului se poate face n oricare din sistemele de referin de mai sus. Schema de reglare clasic, folosit la acionarea cu orientare dup flux a motoarelor de curent alternativ sau la redresoarele PWM [4.1], [4.5] este cea n sistemul de referin ro-titor sincron (d, q), cu avantajul decisv c se lucreaz cu mrimi de curent continuu n loc de mrimi sinusoidale, deci folosirea regulatoarelor PI elimin eroarea staionar. O alt variant propus n literatur pentru reglarea re-dresoarelor PWM este folosirea regulatoarelor rezonante n coordonate (, ), cu avantajul c nu este necesar compensarea cuplajului ntre coordonate, care apare la trecerea n sistemul de referin rotitor sincron (d, q). In ca-zul filtrelor active, n procesul de calcul al referinei de curent se elimin componenta fundamental i se pstreaz numai armonicile superioare, spre deosebire de redresoarele PWM, unde se imprim un curent sinusoidal de frec-vena reelei.

Deci, n ciuda similitudinilor cu redresoarele PWM, criteriile de alegere a variantei optime de reglare a fil-trelor active sunt diferite [4.6], [4.7]. Astfel, avantajul principal al reglrii n sistemul de referin sincron d, q (se lucreaz cu mrimi continue) nu mai este pregnant; totui este posibil relaxarea specificaiei pentru filtrele care ex-trag componentele fundamentale. In cazul reglrii n coordonate staionare (, ) misiunea regulatorului filtrului activ este de a imprima un curent de form arbitrar, sum de sinusoide de diferite frecvene. Deci un sistem efi-cient de reglare a curentului filtrului activ n coordonate (, ) trebuie s dispun de regulatoare rezonante pe fieca-re din armonicile a cror compensare se dorete. Din motive evidente, reglarea n coordonate (, ) se limiteaz la compensarea armonicilor principale 5, 7, 11, 13, lsnd celelate armonici necompensate.

In concluzie, metoda care are cele mai puine dezavantaje este metoda clasic, bazat pe reglarea n coor-donate sincrone (d, q). In fig. 4.23 este prezentat principiul reglrii filtrului activ n coordonate sincrone (d, q).

4.4 Modelul Simulink al filtrului activ Cu ajutorul pachetului de programe Matlab-Simulink s-a realizat un model al ansamblului consumator neliniar + filtru activ. Structura din fig. 4.30 conine modelele reelei i al redresorului (consumatorul neliniar), care sunt cele prezentate anterior (fig. 4.12) i, n plus, modelul filtrului activ.


Curent20A /div

Tim p5m s /div

Tens iune200V /div

0 5 10 15 20 25 30 35 400

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Ordinul armonicii

Ampl

itudi

ne [A

]

THD=0.3119

(a) (b)

(c)

(d)

Fig. 4.16 Curentul absorbit de la reea i tensiunea de faz (stnga) i spectrul curentului absorbit de la reea (dreapta). Sus (a i b): rezultate ale simulrii. Jos (c i d): Oscilograme. Parametri: Id=40A; LL=270H; Ld=15mH.

4.5 Rezultatele simulrii filtrului activ Efectul filtrului pasiv pentru ondulaia cu frecvena de comutaie i multiplii ai acesteia (v. 5.4) este pus n eviden dac se compar curentul absorbit n prezena filtrului respectiv (fig. 4.36) i curentul absorbit n absena filtrului (fig. 4.38). Se constat pe de o parte efectul circuitului acordat pe frecvena de comutaie, care ndeprteaz armonicile de curent cu aceast frecven, iar pe de alt parte efectul colateral, de compensare a puterii reactive: amplitudinea curentului absorbit n prezena filtrului activ este uor diminuat. Tensiunea reelei n PCC are un coninut mare de armonici n lipsa filtrului pasiv, ceea ce poate avea o influen negativ asupra altor consumatori. In fig. 4.36, a i 4.38, a sunt prezentate rezultate ale simulrii, iar n fig. 4.36, b i 4.38, b rezultatele experimentale. Se const o concordan bun. Curentul a fost msurat cu o sond tip PR430 (LEM) cu factorul de transfer de 10mV/A. In fig. 4.39 a, b sunt prezentate semnalul de referin i valoarea msurat a curentului filtrului pentru o faz n coordonate (a, b, c) - rezultate ale simulrii. Celelate faze au fost omise pentru a nu ncrca excesiv imagi-nea. Se constat o calitate bun a reglrii, valoarea msurat urmrete corect referina calculat. Pentru a pune n eviden procesul, a fost necesar o scar de timp extins (fig. 4.39, b). In fig. 4.40 se prezint curentul filtrului msurat cu sonda de curent (10mV/A); comparaia dintre simulare i msurtori demonstreaz o concordan bun.

THD = 32.594 %


In fig. 4.43 este prezentat semnalul de referin i valoarea msurat a curentului filtrului pe axa q. Semna-lul de referin se calculeaz cu metoda expus n 3.1.2 (fig. 3.8), iar structura de reglare este cea din fig. 4.23, cu regulatoare n coordonate (d, q). Rezultatele experimentale sunt prezentate n fig. 4.44. Compensarea adecvat a ar-monicilor de curent este condiionat de ajustarea precis a regulatoarelor de curent - numai astfel se obine preci-zia necesar. Se constat o calitate bun a reglrii, valoarea msurat urmrete corect referina calculat. Pentru a pune n eviden procesul, i pentru rezultatele experimentale se utilizeaz scri de timp extinse. Semnalele din fig. 4.44 au fost obinute prin configurarea corespunztoare a interfeei ControlDesk a platformei dSPACE i au fost msurate prin conectarea osciloscopului la ieirile convertoarelor D/A din panoul CLP 1104. In fig. 4.45 i 4.46 se prezint curentul absorbit de la reea dup compensare (variaia n timp i spectrul). Se pot observa neregu-lariti n forma de und a curentului total, care coincid cu tranziiile rapide ale curentului consumatorului neliniar, mai mici n fig. 4.45, mult mai evidente n fig. 4.46. Diferena de calitate provine din modul de calcul al semnalului de referin. Dinamica reglrii este influenat de o structur special: un tablou circular, de tipul celui descris la 3.2.2 stocheaz i rennoiete permanent o perioad a curentului n coordonate (d, q).

Modulator PWM

Sa Sb SciFbiFcvbcvab

abc

abc

sincos

dq

iFiFvv

abc

vFa vFb vFc

abc

abc

vF vF

dq

Reg Iq Reg Id

+

iFqiFd

iFq* iFd*

vFq vFd

+

-Vdc

Vdc*

Reg Vdc

Cd

LF

Fig. 4.23 Schema bloc a sistemului de reglare n coordonate d, q la filtrele active.


Powergu i-Discre te ,

T s = 9 .259e-007 s.

Signal 1

S igna l Bu i lder

A

B

C

Vabc

Iabc

Retea

A

B

C

I_Load

Redresor

[I_Load]

[V_abc]

[I_T ota l ]

[I_Load]

[V_abc]

A

B

C

Vabc

I_Load

Start_Stop

Fi l tru activ

Fig. 4.30 Modelul Simulink al ansamblului consumator neliniar + filtru activ.

0

H 5 m s /d iv V 1 0 0 V /d ivV 1 0 0 A /d iv

Te n s iu n e a d e fa z a

C u re n tu l t o ta l

(a)

(b) Fig. 4.36 Tensiunea de faz i curentul total fr filtrul pasiv pentru ondulaia de comutaie. (a) Simulare. (b) Oscilogram.

Deoarece curentul consumatorului variaz lent n raport cu viteza de calcul, este posibil s se calculeze re-ferina actual pe baza perioadei precedente, dar cu un avans de unul sau mai muli pai de comutaie, pentru a compensa ntrzierea introdus de regulatoarele de curent i elementul de execuie. Astfel se poate mbunti n mod evident comportarea filtrului la tranziiile rapide ale curentului de sarcin. Un avans prea mare nrutete ca-litatea semnalului, deoarece se introduc perturbaii suplimentare.

Cap. 5 Stabilirea parametrilor de baz i proiectarea filtrului activ

5.1 Incrcarea filtrului In primul rnd este necesar s se elaboreze o procedur general de dimensionare a ncrcrii filtrului activ, n funcie de datele consumatorului neliniar pe care trebuie s l compenseze i de performanele de compensare

Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice 17 propuse. Se observ c, n cazul redresorului cu sarcin rezistiv inductiv, puterea aparent a filtrului este circa 29% din puterea aparent a redresorului pentru compensarea armonicilor de curent, n timp ce compensarea armo-nicilor i a puterii reactive necesit o putere aparent a filtrului practic egal cu cea a redresorului, dac factorul de putere DPF este sub 0,1. Creterea curentului prin filtru nseamn creterea gabaritului i un cost mult mai ridicat, aspecte ce trebuie evitate, deoarece compensarea puterii reactive se poate realiza cu mijloace mult mai puin cos-tisitoare.

Tens iuneade faz a

C urentu lto ta l

H 5m s /d ivV 100V /d ivV 100A /d iv

(a)

(b)

Fig. 4.38 Tensiunea de faz i curentul total cu filtrul pasiv pentru ondulaia de comutaie. (a) Simulare. (b) Oscilogram.

v

0

H 5m s /div V 10A /d iv

(a)

0

H 0 .5 m s /d ivV 1 0 A /d iv

(b)

Fig. 4.39 Semnalul de referin i valoarea msurat a curentului filtrului; n (b) se prezint semnalele la o scar de timp extins de la 5ms/div la 0,5ms/div pentru a pune n eviden calitatea reglrii. Simulare.

5.2 Inductana de ieire a filtrului

Procedura de dimensionare a inductanei de la ieirea filtrului se bazeaz pe urmtoarele criterii: Se stabilete o limit inferioar a inductanei LF(min) astfel nct s se limiteze ondulaia curentului datorat

componentelor cu frecvena de comutaie i multipli ai acesteia (de exemplu la 5...15% din curentul injectat). Se stabilete o limit superioar a inductanei LF(max) astfel nct viteza minim de variaie a curentului gene-

rat de filtru s fie mai mare dect viteza maxim de variaie a curentului consumatorului; numai aa este posibi-l o compensare adecvat a armonicilor.

Limita inferioar a inductanei LF(min)

O relaie cu caracter general se obine raportnd ondulaia la valoarea maxim a curentului filtrului F, ca n relaia (5.1); pentru F se poate adopta valoarea maxim a curentului consumatorului L, adic Id (curentul continuu la ieirea redresorului)


,

100 [%] 12F ripple dc

F sw dF

I VL f II

=

(5.1)

In fig. 5.4 este reprezentat relaia (5.1) pentru fsw = 10 kHz, avnd drept parametru Vdc.

Limita superioar a inductanei LF(max) In fig. 5.5 este reprezentat relaia (5.2), avnd ca parametru Vdc.

2 23 3dc LLF

F

V Vdidt L

= (5.2)

0

H 5 m s / d ivV 1 0 A / d iv

(a)

0

H 1 m s / d ivV 1 0 A / d iv

(b) Fig. 4.43 Rezultate ale simulrii. (a) Semnalul de referin i valoarea msurat a curentului filtrului pe axa q. (b) Aceleai semnale la o scar de timp extins de la 5ms/div la 1ms/div.

(a) (b) Fig. 4.44 Rezultate experimentale. (a) Semnalul de referin i valoarea msurat a curentului filtrului pe axa q. (b) Aceleai semnale la o scar de timp extins de la 2,5ms/div la 1ms/div.

Fig. 4.40 Curentul absorbit de filtrul activ. Oscilogram.


H 5 m s / d ivV 2 0 A / d iv

0 1 0 2 0 3 0 4 00

1

2

3

4

5

O r d i n u l a r m o n i c i i

Am

pli

tud

ine

(%

)

T H D = 2 . 7 7

(a)

(b) Fig. 4.45 Simularea funcionrii filtrului, cu structura de anticipare, cu LL=540H; LF=350H. (a) Curentul absorbit de la reea. (b) Spectrul curentului absorbit de la reea.

H 5 m s / d i vV 2 0 A / d i v

0 1 0 2 0 3 0 4 00

1

2

3

4

5

O r d i n u l a r m o n i c i i

Am

pli

tud

ine

(%

)T H D = 1 2 . 5

(a)

(b) Fig. 4.46 Simularea funcionrii filtrului, fr structura de anticipare, cu LL=540H; LF=350H. (a) Curentul absorbit de la reea. (b) Spectrul curentului absorbit de la reea.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

THDi

Put

ere

filtr

u /

Put

ere

cons

umat

or

DP F= 0.9 DP F= 0.8 DP F= 0.7

DP F= 0.5 DP F= 0.1 DP F= 0.3

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

THDi

Put

ere

filtr

u /

Put

ere

cons

umat

or

Redresor de tes t

Fig. 5.1 Variaia raportului dintre puterea aparent a filtrului i puterea aparent a consumatorului neliniar pentru cazul n care se compenseaz puterea reactiv i armonicile de curent

Fig. 5.2 Variaia raportului dintre puterea aparent a filtrului i puterea aparent a consumatorului neliniar pentru cazul n care se compenseaz numai armonicile de curent.


100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Induc tanta [uH]

Ond

ulat

ia c

uren

tulu

i [%

]

V dc = 850V

V dc = 800V

V dc = 750V

V dc = 700V

V dc = 650V

100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Induc tanta [uH]

di/d

t [

A/u

s]

V dc = 650V

V dc = 700V

V dc = 750V

V dc = 800V

V dc = 850V

Fig. 5.4 Curbele iF, ripple = f(LF) pentru stabilirea limitei minime a inductanei LF(min).

Fig. 5.5 Curbele diF/dt = f(LF) pentru stabilirea limitei maxime a inductanei LF(max).

5.3 Condensatorul de filtrare Procedura de dimensionare a condensatorului de filtrare se bazeaz pe bilanul puterilor. Ipotezele de calcul sunt urmtoarele:

(i) Puterea activ disipat n convertizor este neglijabil. (ii) Energia stocat n inductivitatea de ieire este neglijabil.

(iii) Tensiunea continu este meninut constant cu ajutorul buclei de reglare special destinate, deci, componenta ondulatorie a tensiunii continue vdc, ~(t) este mult mai mic dect valoarea medie Vdc

,~( ) ( )dc dc dc dcv t V v t V= + (5.3) (iv) Deoarece frecvena de comutaie fsw aleas (10kHz) este mult mai mare dect frecvena reelei fs,

componenta ondulatorie la frecvena de comutaie i multiplii acesteia a curentului absorbit de condensator iC, sw este neglijabil n raport cu componenta ondulatorie de joas frecven a curentului ab-sorbit de condensator iC,~ (multipli ai frecvenei reelei)

, ~ , , ~( ) ( ) ( ) ( )C C C C sw Ci t I i t i t i t= + + (5.4) In relaia (5.4) componenta medie IC este nul ca o consecin a faptului c se neglijeaz pierderile n convertizor - ipoteza de calcul (i).

(v) Se compenseaz numai armonicile de curent, nu se compenseaz puterea reactiv. Este util o exprimare a componentei ondulatorii vdc raportate la valoarea medie Vdc

221dc I L

dc d dc SI

v THD SV C VTHD

+

(5.5)

O form util de materializare a procedurii de dimensionare este reprezentarea relaiei (5.5) ca n fig. 5.6. Este pus n eviden dependena ondulaiei relative de valoarea capacitii de filtrare. Se observ c, n cazul n ca-re se dorete compensarea puterii reactive, valoarea necesar a capacitii de filtrare este mult mai mare la acelai procent de ondulaie. 5.4 Filtrul pasiv pentru ondulaia de comutaie

In lipsa msurilor de limitare a ondulaiei de comutaie a curentului absorbit de filtrul activ, aceste armonici ptrund n consumatorul neliniar de compensat i n reeaua de alimentare, ceea ce poate avea drept consecin de-formarea tensiunii de alimentare n PCC. Structurile simple de filtre active folosesc inductanele de ieire ale filtru-lui LF ca unic interfa ntre convertor i reea. Dar pentru a a avea o dinamic bun a filtrului activ se impune o li-mit maxim pentru valoarea inductanei LF; astfel, este necesar o frecven de comutaie foarte ridicat pentru a menine ondulaia de comutaie a curentului absorbit n limite acceptabile, numai cu o inductan LF de valoare re-dus la ieire. Pentru a realiza performane dinamice bune i a elimina ondulaia de curent la o frecven de comuta-ie mai cobort, este necesar un filtru pasiv, amplasat ntre faze. Obiectivul acestui filtru este nlturarea armonici-lor de curent cu frecvena de comutaie i multipli ai acesteia, produse de convertor. Dac este proiectat corespun-

Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice 21 ztor, filtrul pasiv pentru ondulaia de comutaie poate atenua i armonicile superioare din curentul absorbit de con-sumatorul neliniar, aflate deasupra benzii de frecvene a regulatorului filtrului activ.

0 4 000 8 000 12 000 16 000 20 0000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Capac itatea [uF ]

Ond

ulat

ia [

%]

Com pens area puterii reac t ives i a arm onic ilor de c urent

Com pens area arm onic ilorde c urent THD= 0.3 THD= 0.5 THD= 0.7

(i) (ii) (iii)

(iv) (v)

Rd

C

L

L

C

Rd

LT

CT

C

RdRT Rd

C

CT

Rd

C

Fig. 5.6 Curbele pentru stabilirea valorii conden-satorului de filtrare n funcie de ondulaia admis a tensiunii continue (Vdc=750V, SL=45kVA).

Fig. 5.9 Topologii de filtre pasive pentru ondulaia de comutaie.

Cteva din topologiile mai rspndite [5.6] pentru filtrele pasive sunt prezentate n fig. 5.9. Abordarea din fig. 5.9, (iv) const n crearea a dou ci separate: o cale LT, CT, C pe frecvena de comutaie a convertorului (fig. 5.11, a) i alta de band larg Rd, C (fig. 5.11, b). Rezistorul Rd se dimensioneaz astfel nct s asigure amor-tizarea oricrei posibiliti de rezonan cu reeaua sau consumatorii, la frecvene deasupra benzii filtrului activ. De aceea, nu este necesar s creasc banda de frecven a convertorului, pentru a realiza amortizarea activ a rezonan-elor. Valoarea curentului de frecvena reelei este determinat de condensatorul C. La frecvena reelei impedana condensatorului C este mult mai mare dect rezistena Rd i, ca urmare, tensiunea fundamental se regsete pe condensatorul C, iar pe circuitul acordat LT, CT amplitudinea componentei fundamentale a tensiunii reelei este foarte redus (fig. 5.12).

LT

CT

C

RdRT

LT

CT

C

RdRT

a b

H 1 0 m s / d i v V 2 0 0 V / d i v

T e n s i u n e a p e c i r c u i t u l a c o r d a t

T e n s i u n e a p e c o n d e n s a t o r u l C

Fig. 5.11 Topologia din fig. 5.9, (iv). (a) Calea pentru frecvena de comutaie. (b) Calea de band larg.

Fig. 5.12 Topologia din fig. 5.9, iv. Tensiunea funda-mental se regsete pe condensatorul C. Simulare.

5.5 Dimensionarea elementelor de baz 5.5.1 Specificaia de sarcin Filtrul activ trebuie s realizeze compensarea armonicilor de curent ale consumatorului neliniar, astfel nct factorul de distorsiune al curentul total absorbit s se ncadreze n limitele impuse. Invertorul pe care este imple-mentat filtrul activ este o punte cu tranzistoare IGBT de 200A, 1700V, tip SKM 200GB173D1, rcite cu un ventilator axial tip SKF16B (SEMIKRON, Germania). S-a estimat o capabilitate n curent a invertorului de 55A la 16kHz. Asamblarea a fost realizat n Bucureti, la firma SC Electrotehnica SA (fig. 5.15).

22 Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice 5.5.4 Dimensionarea filtrului pasiv pentru ondulaia de comutaie Scopul filtrului pasiv este de a crea o cale de deviere a curentului de ondulaie, astfel nct acesta s nu ptrund n reeaua de alimentare. Eficiena filtrului pasiv poate fi evaluat cu ajutorul factorului de transfer n curent cu ieirea n scurtcircuit H21, [5.1]. Criteriile de eficien (ideale) ale filtrului pasiv sunt: (i) modulul |H21| s fie unitar n toat banda de frec-vene i nul la frecvena fSW i (ii) defazajul introdus s fie zero n toat banda de frecvene.

Desigur, un filtru fizic realizabil va ndeplini parial aces-te cerine. Se alege pentru filtrul pasiv topologia din fig. 5.9, (iv), care are o structur optim. Fie va-loarea capacitii condensatorului C de 60F; impedana sa la 50Hz este de circa 53 i, dac se do-rete reducerea tensiunii pe circui-tul acordat {LT, CT} la circa 10V, rezult o rezisten Rd de circa 1,3.

Se alege CT=6.8F i rezult LT=32H. Parametrii filtrului pasiv cu structura din fig. 5.9, (iv) sunt

recapitulai n tabelul de mai sus; rezistena RT este rezistena nfurrii inductanei LT de circa 50...100m, ceea ce conduce la un factor de calitate de 50...100 pentru circuitul acordat LT, CT.

Cap. 6 Rezultate experimentale 6.1 Bancuri de test Experimentrile s-au desfurat n dou etape, pe dou bancuri de test diferite : unul de putere redus (circa 2kVA) i altul de putere medie (circa 45 kVA). Schema bancului de test de putere medie este prezentat n fig. 6.2, iar imaginea de ansamblu a bancului este prezentat n fig. 6.3; n fig. 6.5 se prezint invertorul de tensiune pe care a fost implementat filtrul activ, iar n fig. 6.6 se prezint redresorul folosit ca sarcin neliniar, generatoare de armonici..

6.2 Incadrarea n prevederile standardelor Obiectivul filtrului activ este reducerea emisiilor armonice, astfel nct acestea s se ncadreze n limitele admise de reglemetrile existente. In fig 6.7 se prezint comparativ limitele de emisie prevzute de reglementarea CEI 61000-3-4 i IEEE 519 (SUA) pentru armonici de curent, n gama de putere n care se ncadreaz prototipul realizat n cadrul prezentei lucrri. 6.3 Sistemul de comand n timp real dSPACE Sistemul de comand n timp real al dSPACE, prezentat n fig. 6.8, integreaz o parte din modulele de dezvolta-re Matlab Simulink. Cu ajutorul mediului de programare Simulink se realizeaz modelarea matematic, analiza i simula-rea off-line. Pentru comanda n timp real, biblioteca Simulink este completat cu blocuri specifice dSPACE. Modulul Real Time Workshop din Matlab genereaz cod n limbajul C (ca rezultat al analizei blocurilor Simulink) i acioneaz prin intermediul pachetului Real Time Interface, pus la dispoziie de firma dSPACE. Pachetul Real Time Interface asi-gur funcii I/O specifice platformei dSPACE, dar compatibile cu modelul Simulink.

fsw 10,8 kHz LT 32 H CT 6,8 F RT 50 m C 60 F Rd 1,5

Fig. 5.15 Punte cu tranzistoare IGBT, asamblat la SC Electrotehnica SA. Componentele sunt furnizate de firma SEMIKRON (Germania).

Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice 23 6.4 Implementarea strategiei de control pe platforma dSPACE In fig. 6.12 se prezint blocurile care implementeaz cele trei categorii de operaii de control: INPUT TASK, CONTROL TASK i OUTPUT TASK. Cele trei categorii de operaii de control sunt implementate cu ajutorul blocurilor Matlab/Simulink.

15...

30m

H0,27...0,81 mH

+

3 x 0,35mH

K1

K3

K2

15mF

3 x

400V

,50H

z

max 100A

SKM 200 GB 1700

Filtrupasiv

10,8kHz

CCT 380.6/80

1...7

Fig. 6.2 Schema bancului de test de putere medie pentru filtre active la Universitatea Politehnica Bucureti.

Fig. 6.5 Banc de test de putere medie pentru filtre active la Universitatea Politehnica Bucureti. Detaliu filtru activ: invertorul, traductoarele de curent i tensiune, blocurile de msur i interfa.

Fig. 6.5 Banc de test de putere medie pentru filtre active la Universitatea Politehnica Bucureti. De-taliu filtru activ: invertorul, traductoarele de curent i tensiune, blocurile de msur i interfa.

Fig. 6.6 Banc de test de putere medie pentru filtre active la Universitatea Politehnica Bucureti. De-taliu dulap redresor: convertorul trifazat cu tiristoa-re tip CCT380.6/80.

6.6 Rezultate experimentale pe bancul de test de putere medie In fig. 6.31 se prezint curenii de intrare ai redresorului cu tiristoare pe dou dintre cele trei faze i spectrul de armonici al acestor cureni. Curentul a fost msurat cu o sond de curent tip PR430 (LEM) cu factorul de trans-fer de 10mV/A. S-au fcut msurtori la 20A, 40A i 60A, n dou situaii: cu o inductan de filtrare total la ie-irea redresorului de 15mH sau de 30mH. Spectrul curentului redresorului cu tiristoare (fig. 6.31, b) prezint deose-

24 Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice biri fa de spectrul curentului de intrare al redresorului cu diode. Nivelul armonicii a 3-a i al armonicilor pare este mult mai mare, ceea ce relev asimetria ntre faze i ntre semialternanele aceleiai faze.

0 5 10 15 20 25 30 35 400

5

10

15

20

25

O rd inul arm onic ii

Am

plitu

dine

(%)

L im ite c onform IE E E 519

Lim ite c onform CE I 61000-3-4

(c onec tare fara res tric t ii)

Matlab

Simulink

Real Time Workshop

Software pentru implementareReal Time Interface

HardwareDS 1104 CLP 1104

Software pentru experimentareControlDesk

PrototipfiltrudS

PACE

Modelmatematic

Fig. 6.7 Limitele maxime admise pentru armonicile de curent absorbite de la reea, conform reglementrilor Comisiei Electrotehnice Internaionale i reglemetrilor americane (IEEE).

Fig. 6.8 Platforma de comand n timp real dSPACE.

Start 0/Stop 1

Software Interrupt

Software Interrupt3

Software Interrupt

Software Interrupt2

Software Interrupt

Software Interrupt1

Trigger()

duty _ABC

Start/Stop

OUT PUT TASK

Trigger()

Uabc

I_f ilter_abc

I_load_abc

Udc

INPUT TASK

boolean(1) boolean(1)boolean(1)

Trigger()

Uabc

I_f ilter_abc

I_load_abc

Udc

duty _ABC

Start/Stop

CONTROL TASK

f()

T rigger

Fig. 6.12 Operaiile principale ale sistemului de comand, implementate n blocul PWM INTERRUPT SERVICE SUBROUTINE.


(a) (b) Fig. 6.31 Curentul absorbit de redresor la 60Acc, Ld=30mH. (a) Forma de und. (b) Spectrul de armonici.

In fig. 6.36 se prezint principalii parametri ai filtrului la pornire. Tensiunea continu (fig. 6.36, sus) crete liniar, de la cca. 550V (valoarea de prencrcare), la valoarea final de 800V, urmrind corect referina. Regimul tranzitoriu al curentului filtrului la pornire (fig. 6.36, mijloc) este rezolvat prin crearea unei structuri speciale a sistemului de reglare. Pe durata regimului tranzitoriu algoritmul de compensare a armonicilor nu este activ. Curentul de sarcin are valoarea maxi-m disponibil n condiiile de test (fig. 6.36, jos). In fig. 6.38 se prezint comportarea filtrului n regim dinamic, la creterea curentului de sarcin. Formele de und din fig. 6.36, 6.38 au fost obinute experimental, prin configurarea a-decvat a interfeei ControlDesk a platformei dSPACE). Semnalele au fost achiziionate sub form de fiiere ASCI i transferate n Matlab, unde s-a obinut reprezentarea grafic.

Vd

c*,

Vd

c [

V]

I F

iltr

u [

A]

I S

arc

ina

[A

]

X = 0 . 1 s / d i v

5 0 A / d i v

1 0 0 V / d i v

2 5 A / d i v

Fig. 6.36 Comportarea filtrului la pornire.

THD=30.33%

26 Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice In fig. 6.40, 6.41 i 6.42 se prezint curentul total absorbit de la reea dup compensarea armonicilor de c-tre filtru, cu diferite tipuri de corecie. Rezultatele prezentate demonstreaz c sistemul este funcional, iar soluia a-leas este corect. Factorul de distorsiuni al curentului absorbit de la reea este de 7,8 %, armonicile pn la ordinul 13, se ncadreaz n limitele indicate n fig. 6.7, att de reglementrile CEI, ct i de cele americane, iar armonicile mai mari de 17 prezint o uoar depire n raport cu limitele CEI, dar se ncadreaz n prescripiile IEEE. Performanele unui sistem dimensionat corect sunt limitate n principal de frecvena de comutaie. Aceasta, la rndul su depinde de doi factori: (i) de performanele tranzistoarelor IGBT utilizate i (ii) de posibilitile siste-mului de comand. Pe primul banc de test frecvena de comutaie a fost 5,4 kHz, iar pe al doilea banc 10,8kHz. Cerinele privind precizia compensrii sunt foarte ridicate, n caz contrar nu numai c nu se extrag armonicile existente, dar se introduc armonici noi, care nu existau n spectrul iniial. Experiena arat c se pot extrage armonici cu frecvena pn la circa 1/10 din frecvena de comutaie, deci, folosind o frecven PWM de circa 5kHz se pot extrage cu acu-ratee armonici pn la 500Hz (armonica a 11-a), iar cu o frecven PWM de circa 10kHz pn la 1000Hz (armonica a 19-a). In fig. 6.43 a, b, c se prezint forma curentului absorbit de la reea de un redresor, dup compensarea armo-nicilor cu ajutorul unui filtru activ tip PQFA al firmei Asea Brown Boveri Jumet SA, n diferite regimuri: compen-sare pn la armonica a 13-a, a 25-a , respectiv a 50-a, [6.10]. Semnalele sinusoidale din fig. 6.43 a i b prezint neregulariti care coincid cu tranziia rapid a curentului absorbit de redresor. Aceste neregulariti devin insezizabile atunci cnd banda de corecie a filtrului activ tip PQFA se ntinde pn la 20kHz (fig. 6.43, c). Forme de und echivalente (curentul de sarcin i curentul total dup compensare), obinute cu filtrul activ realizat n cadrul acestei lucrri, sunt prezentate n fig. 6.44.

Vd

c*,

Vd

c [

V]

I F

iltr

u [

A]

I S

arc

ina

[A

]

X 5 0 m s / d i v

1 0 V / d i v

2 5 A / d i v

5 0 A / d i v

Fig. 6.38 Comportarea dinamic a filtrului la creterea curentului de sarcin.


(a) (b) Fig. 6.40 Curenii absorbii de la reea pe dou dintre cele trei faze, cu aportul filtrului activ. (a) Variaia n timp. (b) Spectrul de armonici. Invertorul de putere redus a fost realizat cu tranzistoare IGBT fabricate n 1993 (tip MG75Q2S1, Toshi-ba), la care frecvena de 5kHz este limita superioar, determinat de timpul ridicat de blocare. Marja de comutaie necesar este de circa 10s, deci la frecvene mai mari, neliniaritatea introdus de aceasta este inacceptabil. Dato-rit frecvenei sczute a filtrului de putere mic, perioada a fost suficient pentru ca platforma dSPACE s exe-cute calculele n timp real pe sistemul de comad descris, inclusiv un algoritm de corecie a ntrzierii introduse de elementul de execuie.

(a) (b)

Fig. 6.41 Curenii absorbii de la reea pe dou dintre cele trei faze, cu aportul filtrului activ. (a) Variaia n timp. (b) Spectrul de armonici. Invertorul de putere medie este realizat cu tranzistoare IGBT fabricate n 2003 (tip SKM 200, Semikron), la care frecvena limita superioar este de 16kHz, determinat de creterea pierderilor n comutaie. Frecvena realiza-t a fost de numai 10kHz, deoarece s-a atins limita sistemului folosit (platforma dSPACE) n privina timpului de calcul al algoritmului de comand. A fost necesar excluderea unor faciliti, ceea ce a afectat ntr-o oarecare m-sur precizia compensrii. In fig. 6.45, a se prezint curentul absorbit de la reea cu filtrul realizat, fr corecia ntrzierii. Neregulari-tile din momentul tranziiei rapide a curentului absorbit de redresor sunt mult mai pronunate. Dac se compar cu forma curentului din fig. 6.44 se poate concluziona c prezena algoritmului de corecie - chiar n varianta simplifi-cat - este foarte important. In sfrit, n fig. 6.46, a i b se prezint spectrul tensiunii de alimentare de la reea n punctul de racord al filtrului activ n dou zile diferite de experimentri; factorul de distorsiuni al tensiunii este circa 4,5%, respectiv

THD=9,60%

THD=10,07%

IEEE

CEI

IEEE

CEI

28 Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice circa 5,5%. Valorile prezentate sunt tipice, deci reeaua este puternic poluat, probabil din cauza preponderenei calculatoarelor n structura de consumatori a Universitii Politehnica Bucureti.

(a) (b)

Fig. 6.42 Curentul absorbit de la reea, cu aportul filtrului activ. (a) Variaia n timp. (b) Spectrul de armonici.

(a) (b) (c)

Fig. 6.43 Forma curentului absorbit de la reea de un redresor dup compensare cu un filtru activ tip PQFA (Asea Brown Boveri Jumet SA). (a) Compensare pn la armonica a 13-a. (b) Compensare pn la armonica a 25-a. (c) Compensare pn la armonica a 50-a.

Cap. 7 Concluzii

Lucrarea de fa reprezint un domeniu de cer-cetare de mare actualitate, n condiiile proliferrii sar-cinilor neliniare - n general, convertizoare statice cu semiconductoare de putere - care genereaz armonici de curent. La baza ntocmirii lucrrii au stat sursele de informare documentar menionate n bibliografie i ac-tivitatea de cercetare i proiectare desfurat de autor n cadrul Departamentului de Cercetare-Proiectare al Societii SC Electrotehnica SA i n cadrul colectivu-lui de cercetare coordonat de D-l Prof.dr.ing. Rzvan Mgureanu la Universitatea Politehnica Bucureti. Rezultatele incluse n lucrare au fost prezentate n ra-poarte de cercetare, articole publicate sau prezentate la conferine i simpozioane. In cadrul tezei a fost elaborat o metod de

compensare a curentului armonic absorbit de acionrile reglabile cu motoare de curent continuu sau alternativ, care au o pondere important pe ansamblul consumatorilor industriali, au fost dezvoltate i realizate practic dou structuri de filtre active n topologia paralel, cu invertor de tensiune, la dou nivele de putere diferite i dou bancuri de test care genereaz armonici, pe care s-a implementat i verificat experimental metoda de compensare. Rezultatele experimentale sunt similare celor obinute prin simulare. Aceast concordan ne permite s concluzionm c ipotezele de calcul i modelele matematice, care au stat la baza acestei lucrri sunt corecte.

THD=7.8%

Fig. 6.44 Curentul consumatorului neliniar i cu-rentul absorbit de la reea, cu aportul filtrului activ.


(a) (b) Fig. 6.45 Curenii absorbii de la reea pe dou dintre cele trei faze, cu aportul filtrului activ. (a) Corecia ntrzierii invertorului nu este inclus. (b) Corecie sub optim.

(a) (b)

Fig. 6.46 Spectrul tensiunii de alimentare n punctul de racord al filtrului activ, n zile diferite i structuri diferite de consuma-tori n Universitatea Politehnic Bucureti.

In capitolul 1 se prezint problema distorsiunilor de curent i tensiune produse de sarcinile neliniare n

contextul mai larg al conceptului de calitate a energiei electrice. Mai nti s-a prezentat evoluia standardelor i a normelor tehnico-juridice care guverneaz relaia furnizor de energie - consumator, deoarece ele influeneaz ntr-o manier decisiv atitudinea consumatorilor fa de investiiile n echipamente de corectare a distorsiunilor. Seria de standarde IEC 61000 Compatibilitate electromagnetic a ajuns deja la 70 de documente de baz, n condiiile n care dou capitole sunt nc deschise (neabordate). Dei procesul de normare nu s-a ncheiat, se desprind deja linii-le directoare. In strategia de concepie a seriei IEC 61000 Compatibilitate electromagnetic, limitarea perturbaii-lor introduse de echipamentele de putere mic (sector casnic, birotic) se realizeaz prin impunerea unor limite de emisie productorilor de echipamente. Soluiile de perspectiv n acest domeniu sunt redresoarele care absorb cu-rent cvasisinusoidal (PFC), dotate cu filtre pasive simple. De aceea, filtrele active nu sunt o opiune viabil la puteri mici.

Aplicaiile de puteri medii i mari reprezint miezul problemei, dar, din pcate, deocamdat nu exist la ni-vel mondial o metodologie simpl de determinare a cotelor de perturbaii, care s permit monitorizarea, contori-zarea i tarifarea. Abundena de abordri nseamn c de fapt nu exist nc nici una care s rezolve problema ntr-o manier acceptabil. Din punctul de vedere al furnizorului, estimarea efectului produs (distorsiunea de tensiune produs ca urmare a injeciei de cureni armonici) i mprirea curenilor armonici proporional cu puterea contrac-tat este o metod bun, pentru c i permite s menin indicatorii de calitate n zona nivelelor de planificare. Dar aceast mprire dezavantajeaz consumatorii mai deprtai n lungul liniei, la care curentul de scurtcircuit este mult mai mic dect la barele postului. Atunci, metodologia adaug o variant de calcul al mpririi, care s evite penalizarea nejustificat a consumatorilor mai deprtai. Imprirea nivelului de planificare ntre utilizatorii indivi-duali proporional cu puterea contractat (chiar corectat pentru utilizatorii deprtai) conduce la limitri inutile i investiii nejustificate, deoarece nu toi utilizatorii i folosesc integral cota, deci, n realitate, perturbaiile totale se situeaz la valori sensibil inferioare nivelurilor de planificare. La nivel mondial nu exist deocamdat o soluie

THDU = 5,56% THDU = 4,59%

30 Contribuii la funcionarea optimal energetic a sistemelor de acionri electrice simpl pentru msurarea i monitorizarea perturbaiilor, analog contorului de putere reactiv; partea 4 din IEC 61000 Compatibilitate electromagnetic, consacrat metodelor de msurare i testare, are deja o pondere de a-proape 50% din totalul seriei IEC 61000 (32 de documente din 70).

Consecina practic a situaiei expuse mai sus este c nici unul dintre documentele care prescriu limite ale perturbaiilor introduse de instalaiile industriale de putere medie i mare nu a ntrunit consensul necesar pentru a fi aprobat ca standard; ele au fost publicate sub form de rapoarte de tip 3 sau specificaii tehnice, deci materiale cu caracter informativ. Problema cea mai dificil o va constitui dotarea furnizorilor de energie electric cu aparatur de monitorizare i msurare; pentru alocarea cotelor de perturbaii i monitorizarea indicatorilor de calitate a ener-giei electrice sunt necesare echipamente complexe, care s permit: (i) msurarea parametrilor pe intervale mari de timp; (ii) stocarea unui volum imens de date; (iii) prelucrarea acestui volum de date.

Este de ateptat ca, n viitor, consumatorii care determin perturbaii electromagnetice n reeaua de alimen-tare (afecteaz calitatea energiei electrice livrate celorlali consumatori) s fie obligai s adopte msuri pentru limi-tarea perturbaiilor pn la PCC.

In capitolul 2 sunt trecute n revist mijloacele i metodele de mbuntire a calitii energiei electrice i sunt prezentate pe larg metodele de limitare a emisiilor perturbatoare sub form de armonici.

Mai nti se prezint elementele filtrului activ, se face o clasificare a filtrelor active n funcie de putere i viteza de rspuns - dou aspecte care sunt strns legate ntre ele. Apoi se trateaz diferitele moduri de amplasare a filtrelor active, principalele topologii i modul n care se pot conecta filtrele active, fa de reea i consumatorul neliniar. Pentru a atenua impactul preului unui filtru activ, se caut faciliti suplimentare pe care ar putea s le o-fere filtrul, n afar de compensarea armonicilor: compensarea puterii reactive, amortizarea fenomenelor de rezo-nan, protecia mpotriva cderilor temporare de tensiune.

Exist mai multe topologii: invertor de tensiune - comandat n tensiune sau curent - i invertor de curent. Soluia care ofer un raport optim cost - calitate este invertorul de tensiune comandat n curent. Un loc aparte l ocup soluiile hibride, care mbin avantajele filtrelor active i pasive. Filtrele active nu sunt simple condensatoa-re, care interacioneaz cu alte sarcinile inductive conectate n PCC. Filtrele active nu sunt sensibile la suprasarcini i, n anumite configuraii, pot proteja filtrele pasive cu care formeaz structuri hibride. In schimb, filtrele pasive pot degreva filtrele pasive de o parte semnificativ a spectrului de armonici. De aceea, nu au fost neglijate metodele pasive de mbuntire a calitii energiei electrice: filtre pasive de armonici, instalaii statice de compensare a pute-rii reactive, care pot compensa i consumatorii responsabili de flicker, instalaii de simetrizare a consumatorilor asi-metrici (calea ferat electric). In prezent, la puteri de zeci i sute de MVA, filtrele pasive sunt preferate. Pentru a i-lustra domeniul specific de aplicaie al filtrelor pasive, s-a prezentat structura unei furnituri destinate cuptoarelor cu arc de la Industria Srmei Cmpia Turzii. In capitolul 3 se analizeaz diferitele metode de estimare a semnalului de referin. Sistemul de comand al filtrului activ trebuie s rezolve urmtoarele probleme: (i) s identifice coninutul armonic i s formeze un semnal de referin sincronizat; (ii) s regleze curentul de ieire n bucl nchis, astfel nct s urmreasc referina; (iii) s regleze tensiunea de curent continuu. Au fost identificate dou categorii de metode de estimare a semnalului de re-ferin: (i) metode bazate pe calcul n domeniul timp i (ii) metode bazate pe calcul n domeniul frecven.

Metodele n domeniul timp opereaz cu valorile instantanee ale semnalelor. Exist o multitudine de meto-de de estimare n domeniul timp, fiecare cu mai multe variante: metode bazate pe teoria puterilor instantanee p-q, metoda sistemului de referin sincron d-q, metoda cu orientare dup fluxul virtual i altele. Cunoscnd curenii i tensiunile se calculeaz puterile instantanee activ i reactiv; puterile instantanee se filtreaz i se separ puterile corespunztoare componentei fundamentale a semnalului. Coninutul de armonici al curentului se evalueaz indi-rect: componenta fundamental se scade din semnalul distorsionat total. Identificarea coninutului de armonici se poate face n coordonate (a, b, c), (, ) sau (d, q). In cazul sistemului de referin rotitor sincron (d, q) componen-tele fundamentale ale semnalului devin mrimi continue. Descompunerea puterilor nu se modific principial, dar calitatea reglrii se mbuntete. Majoritatea metodelor n domeniul timp permit alegerea a dou regimuri: (i) ex-tragerea armonicilor i (ii) compensarea puterii reactive i extragerea armonicilor. Nu este posibil selectarea ar-monicilor care se compenseaz i a celor care nu se compenseaz, nici proporia n care se face compensarea. Metodele n domeniul frecven se bazeaz pe analiza Fourier pentru a extrage coninutul de armonici. A-naliza Fourier presupune prelucrarea eantioanelor reprezentnd o perioad complet (sau un numr ntreg de peri-oade), pentru a genera coeficienii Fourier. In fapt, calculul pentru o perioad complet se face doar la momentul i-niial, iar apoi se face actualizarea calcului cu metoda ferestrei alunectoare (sliding window). Metodele n dome-niul frecven permit alegerea celor dou regimuri amintite mai sus (cu i fr compensarea puterii reactive; n plus, cu aceste metode este posibil selectarea armonicilor care se compenseaz, precum i a proporiei n care se face compensarea.


Din cele de mai sus rezult c cele dou tipuri de metode, n domeniul timp i n domeniul frecven con-duc la performane asemntoare, iar principala deosebire este posibilitatea de a alege care armonici se compensea-z i n ce proporie. Aceast posibilitate este important din dou motive: (i

Functionarea Optimal Energetica a Sistemelor de Actionari Electrice

Documents

Transcript of Functionarea Optimal Energetica a Sistemelor de Actionari Electrice