1-1

CAPITOLUL 1

1.1. Principalii parametri de merit privind poluarea armonic

Principalul parametru sintetic ce caracterizeaz calitatea procesrii puterii este factorulde putere. Pentru sisteme monofazate (caracterizate de tensiunea la borne v i curentulfurnizat i), la nivelul unei suprafee, factorul de putere, PF (engl. Power Factor), esteraportul dintre puterea activ P i puterea aparent S, vehiculate prin cele dou terminale ceneap suprafaa respectiv:

efef IVP

SPPF (1.1)

n continuare, se prefer a se exprima principalii factori de merit punnd n evidenamplitudinile i nu valorile efective. Presupunnd c tensiunea aplicat celor dou terminaleeste sinusoidal (cum cu bun aproximaie se poate admite n cazul reelei monofazate detensiune alternativ)

tVv M sin (1.2)puterea activ este atunci dat de:

11 cos21 IVP M (1.3)

unde I1 este amplitudinea fundamentalei curentului, iar 1 defazajul dintre fundamentalacurentului i tensiunea sinusoidal de la borne (Fig. 1.1).

n consecin, factorul de putere devine:

11

11cos

22

cos21

ef

efM

M

II

IV

IVPF (1.4)

Pentru o und periodic oarecare, se definete coeficientul total de distorsiuniarmonice, THD (engl. Total Harmonic Distorsion), ca fiind raportul ntre valoarea efectiv aundei exceptnd fundamentala i valoarea efectiv a fundamentalei. Se poate arta uor c nfuncie de amplitudinile armonicilor, In i de componenta continu, I0, ale curentului, valoareacoeficientului total de distorsiuni armonice este:

v

i

I1 i1

VM

1

t

Fig. 1.1 Mrimile caracteristice pentru definirea factorului de putere

1-2

1

2

2202

I

II

THD nn

n cazul n care componenta continu, I0, lipsete relaia anterioar devine:

1

2

2

I

ITHD n

n (1.5)

Muli autori folosesc aceast relaia i n situaia prezenei componentei continue.Coeficientul de distorsiuni armonice reflect puritatea spectral a unei unde. Cu ct el

este mai mic cu att unda are o puritate spectral mai mare, pentru o und ce conine numaifundamentala (pur armonic) fiind zero.

Se definete factorul de distorsiuni al unei unde periodice, kd, raportul dintre valoareaefectiv a fundamentalei i valoarea efectiv total prin relaia:

2

1

112THDI

I

kef

d (1.6)

Utiliznd (1.6), relaia (1.4) devine:12

cos

1

1

THDPF

(1.7)

Se definete factorul de defazaj k astfel:1cos k (1.8)

Utiliznd relaiile (1.6) i (1.8) factorul de putere se poate scrie ca produs de doifactori: unul reprezentnd efectul distorsionrii formei curentului (factorul de distorsiuni) ialtul reflectnd efectul defazrii curentului (factorul de defazaj):

kkPF d (1.9)Expresia factorului de putere depinde de factorul de distorsiuni. Cum majoritatea

consumatorilor ce se alimenteaz de la reea sunt sisteme neliniare, prezena lor va duceinevitabil la prezena armonicilor n curentul absorbit de la reea i deci la degradareafactorului de distorsiuni. Apare astfel, n prim plan, problema puritii spectrale a curentului iun nou termen vehiculat ntre specialiti, i anume acela de poluare armonic.

Procesarea puterii cu un factor de putere necorespunztor poate duce la:- amplitudini periculoase ale curenilor ce parcurg conductorul de nul n sistemele

polifazate,- nclzirea i reducerea duratei de via a circuitelor cu transformatoare i motoare de

inducie,- degradarea formelor de und ale tensiunilor sistemului de alimentare i deranjarea din

aceast cauz a funcionrii altor consumatori conectai la aceeai reea.- cureni periculoi prin capacitile utilizate pentru corecia factorului de putere,- funcionarea defectuoas a elementelor de protecie ale sistemelor.

Factorul de putere evideniaz ct de eficient este utilizat puterea disponibil la unport. De exemplu, o priz monofazat de uz casnic de 220 V valoare efectiv are o valoareefectiv maxim admisibil a curentului absorbit de 16 A (valoare ce rezult din considerentede nclzire a conductoarelor, a bornelor prizei, etc.). Puterea maxim pe care priza o poatedebita este deci de 220 X 16 = 3520 W. Dac ns se consum o putere de 2000 W cu unfactor de putere de 0,5, curentul absorbit de la priz va fi de 2000/(0,5 X 220)=18,1 A, caredepete capacitatea de livrare a prizei. Chiar i n situaiile n care nu se depete

1-3

capacitatea de curent a prizei, un factor de putere mic va determina un curent absorbit maimare dect n cazul unui factor de putere unitar, deci solicitri termice i eventuale perturbaiiinutile ale reelei i consumatorilor din proximitate. Este, deci, de dorit ca factorul de puteres fie ct mai mare.

1.2. Standarde privind armonicile curentului absorbit de la reea

1.2.1. Standardul IEC 1000

Pentru prima oar problema polurii electromagnetice n general, i a poluriiarmonice n special, a fost ridicat de US Navy n 1970, care a impus iniial o limit de 3%.Recent au fost adoptate de ctre IEC i IEEE standardele IEC-555, EN 61000 i IEC 1000,[43], [44] standarde care mpart echipamentele n mai multe categorii i definesc pentrufiecare categorie n parte valoarea maxim permis pentru o anumit armonic.

Primul standard impus de ctre IEC (International Electrotechnical Commision) a fostIEC 555 n anul 1981. Acesta a fost supus ulterior la mai multe modificri, ajungndu-se nprezent la impunerea n Europa a unui standard de facto, IEC 1000, privind echipamentelecomerciale menite a fi exportate pe glob.

Standardul IEC 1000-3-2 [26] vizeaz un numr larg de echipamente de mic putereavnd limitri diferite n ceea ce privete armonicile. O atenie special este acordatechipamentelor avnd un curent de intrare mai mare de 16A, funcionnd la frecvene de 50sau 60Hz i fiind alimentate de la o reea monofazat (cu dou sau trei conductoare) de 220-240V respectiv de la o reea trifazat (cu trei sau patru conductoare) de 380-415V. n mediulurban, de exemplu ntr-o cldire mare cu diverse birouri, o fraciune important din sarcinatotal alimentat poate avea un caracter neliniar. Sistemele de iluminare cu tuburi fluorescenteprezint o caracteristic puternic neliniar. Pe de alt parte, birourile moderne conin unnumr mare de calculatoare, imprimante, copiatoare, etc., echipamente care fiecare coninsisteme de redresare. Dei fiecare echipament luat n considerare separat prezint o sarcinneglijabil fa de sarcina total, suma acestora poate deveni semnificativ.

n cadrul standardului IEC 1000-3-2 sunt definite diferite categorii de echipamente,fiecare dintre acestea avnd un anumit set de limitri n ceea ce privete armonicile. n tabelul1.1 sunt prezentate limitrile privind armonicile pentru echipamentele de CLAS A, ce includredresoarele pentru alimentarea calculatoarelor precum i a altor echipamente de birotic. Demenionat este faptul c norma european EN 61000-3-2 impune limitri similare.

Tabelul 1.1Armonici impare Armonici pare

Numrul armonicii Curentul maxim Numrul armonicii Curentul maxim3 2,30A 2 1,08A5 1,14A 4 0,43A7 0,77A 6 0,30A9 0,40A 8 n 40 0,23A (8/n)11 0,33A13 0,21A

15 n 39 0,15A (15/n)1.2.2. Standardul IEEE/ANSI 519

IEEE a publicat n anul 1993 un standard revizuit privind limitele permise pentruamplitudinile armonicilor curentului, IEEE Guide for Harmonic Control and Reactive

1-4

Compensation of Static Power Converters (Ghidul IEEE pentru controlul armonicilor i alcompensrii reactive pentru convertoarele statice de putere). Limitele armonicilor sunt bazatepe raportul dintre componenta fundamental a curentului de sarcin (IL) i curentul de scurtcircuit n punctul de cuplaj comun la sarcin (ISC). n cazul sarcinilor cu consum ridicat suntimpuse limitri mai stricte dect n cazul sarcinilor reduse, cuprinznd sistemele de alimentarede nalt tensiune care nu sunt cuprinse n cadrul standardului IEC 1000. De remarcat estefaptul c nu sunt permise componente de curent continuu i redresoare monoalternan.

n tabelul 1.2 sunt prezentate limitrile privind armonicile impare ale curentului pentrusistemele de distribuie a energiei electrice cu tensiuni n domeniul 120V-69kV. Valorile limitpentru armonicile pare ale curentului reprezint 25% din valorile armonicilor impare. Pentrusistemele de alimentare avnd tensiunea cuprins n domeniul 69,001kV-161kV valorilereprezint 50% din cele prezentate n tabelul 1.2.

Tabelul 1.2ISC / IL n < 11 11 n < 17 17 n < 23 23 n < 35 35 n THD< 20 4,0% 2,0% 1,5% 0,6% 0,3% 5,0%

20-50 7,0% 3,5% 2,5% 1,0% 0,5% 8,0%50-100 10,0% 4,5% 4,0% 1,5% 0,7% 12,0%

100-1000 12,0% 5,5% 5,0% 2,0% 1,0% 15,0%>1000 15,0% 7,0% 6,0% 2,5% 1,4% 20,0%

Standardul IEEE 519 specific totodat i valorile maxime admisibile ale armonicilorde tensiune, fiind limitate att valoarea total a distorsiunilor ct i amplitudinea maximindividual a armonicilor, prezentate n tabelul 1.3.

Tabelul 1.3Tensiunea n punctul de

cuplaj comunArmonici individuale THD

69kV 3,0% 5,0%69,001kV 161kV 1,5% 2,5%

> 161kV 1,0% 1,5%