Instala�ii electrice Dr. Florin POP, profesor

Cursul 9 5.3 Atenuarea regimului deformant în re�eaua de distribu�ie Continua dezvoltare a echipamentelor electronice de putere, a utiliz�rii tehnicii de calcul în birouri �i locuin�e are ca efect apari�ia în re�eaua electric� de distribu�ie a unor curen�i reactivi nesinusoidali. Curentul alternativ redresat este echivalent cu o sum� de curen�i sinusoidali, cu o component� fundamental� de frecven�� de baz� (50 Hz) �i o serie de armonici, ale c�ror frecven�e sunt multiplii întregi (în general, impari) ai frecven�ei de baz� (150, 250, 350, 450, 550 ... Hz). Curen�ii armonici sunt injecta�i în sistemul de putere trifazat de alimentare. Datorit� lor, pe impedan�ele din sistem apar tensiuni armonice care se suprapun peste tensiunea fundamental� �i distorsioneaz� sistemul de tensiuni al re�elei. Ca urmare, apar deranjamente în sistem, se m�resc pierderile în re�ea �i sunt posibile deterior�ri ale altor sarcini racordate la sistem determinate de fenomenul de rezonan��. 5.3.1 Regimul deformant Regimul deformant este regimul permanent de func�ionare a re�elelor electro-energetice de tensiune alternativ� în care undele de tensiune �i de curent sunt periodice �i cel pu�in una din ele nu este sinusoidal�. În re�elele electrice ale consumatorului sunt instalate sarcini liniare �i neliniare. Sarcinile liniare sunt: - rezisten�e ohmice (înc�lzitoare cu rezisten�e, l�mpile cu incandescen��); - motoarele trifazice de c.a.; - condensatoarele. Sarcinile neliniare sunt: - transformatoare �i balasturi; - convertizoare statice; - convertizoare de frecven��, în special pentru motoarele de induc�ie cu tura�ie variabil�; - surse de putere neîntreruptibile (UPS); - alimentatoare pentru echipament casnic (TV, calculator, l�mpi fluorescente compacte). O înregistrare a varia�iei zilnice a nivelului armonicii 5 într-o re�ea de medie tensiune urban� - figura 5.9 (în anii 1985/1987) eviden�iaz� c� sursa de poluare se g�se�te în sarcinile neliniare ale consumatorilor casnici, dat fiind maximul ce apare în jurul orei 21; consumatorii industriali racorda�i la aceea�i re�ea func�ioneaz� într-un singur schimb de produc�ie. Efectele regimului deformant. Regimul deformant are numai consecin�e nefavorabile asupra func�ion�rii consumatorului �i a sistemului electroenergetic în ansmblu, principalele efecte fiind [PE 143]: a) afectarea func�ion�rii echipamentelor electronice cuplate la tensiunea re�elei, inclusiv a echipamentelor de comand� ale redresoarelor; Fig. 5.9 b) introducerea de erori suplimentare pentru aparatele de m�sur�, perturbarea func�ion�rii releelor de protec�ie �i a receptoarelor de telecomand� centralizate; erorile de m�sur� ale wattmetrelor (pân� la 3%) �i ale contoarelor de induc�ie (pân� la 14%) se datoresc mic�or�rii factorului de putere în regim deformant k=P/S< cos ϕ; c) solicitarea peste limitele admise a instala�iilor de condensatoare pentru compensarea puterii reactive; d) pierderi suplimentare de putere �i energie activ� în re�elele electrice, datorit� m�ririi puterii aparente S=√P2+Q2+D2 cu termenul corespunz�tor puterii deformante D;

9-2

e) sc�derea randamentelor motoarelor electrice determinate de pierderi suplimentare �i cupluri parazite; f) înc�rcarea suplimentar� a elementelor sistemului electroenergetic (linii, transformatoare); g) apari�ia unor supratensiuni periculoase în condi�iile de rezonan�� pentru anumite armonici. Element deformant este un aparat ce produce sau amplific� tensiuni armonice. Elementele deformante sunt de tou� tipuri: a) De categoria I - alimentate cu tensiuni sau curen�i riguros sinusoidali produc fenomene deformante (de ex. cuptoare cu arc, redresoare, orice sarcin� electric� cu caracter pronun�at neliniar); altfel spus, alimentate cu tensiuni sinusoidale produc curen�i deforman�i ( sunt generatoare de curen�i armonici); b) De categoria a II-a - alimentate cu curen�i deforman�i amplific� aceast� deformare (de ex. linii electrice ale c�ror inductan�e �i capacit�ti proprii alc�tuiesc circuite oscilante cu frecven�a apropiat� de a curen�ilor armonici din re�ea), condensatoarele din instala�iile de compensare a puterii reactive). 5.3.2 Parametrii regimului deformant Analiza armonic�. Studiul m�rimilor electrice periodice nesinusoidale se bazeaz� pe analiza armonic�, opera�ie de descompunere a unei m�rimi periodice oarecare în oscila�ii armonice, ale c�ror frecven�e sunt multipli întregi ai frecven�ei fundamentale (de 50 Hz). Aceast� descompunere se exprim� matematic prin seria Fourier. În cazul m�rimilor din circuitele electrice, caracterizate prin simetria impar� a formelor de und� de tipul f(ωt)=-f(ωt+π) - forma de varia�ie a undei pe semiperioada pozitiv� este aceea�i în semiperioada negativ� - func�ia periodic� nesinusoidal� se descompune într-o sum� de func�ii periodice sinusoidale de rang impar - figura 5.10:

( ) ( )f t A n tnn

n= +=

∞

�1

sin ω ϕ ,

în care An este valoarea efectiv� a armonicii de rang n a m�rimii f (tensiunea u sau curentul i). Pentru n=1 se ob�ine m�rimea fundamental� (corespunz�toare frecven�ei fundamentale de 50 Hz; pentru n=2k+1 se ob�in armonicile impare de rang superior, 3, 5, 7, 9, 11, ..., cu pulsa�iile nω=n⋅2π⋅f =2π⋅nf, respectiv 3⋅50=150 Hz, 5⋅50=250 Hz, 7⋅50 Hz=350 Hz, ... În cazul unor unde ce nu sunt riguros impare, seria Fourier cuprinde atât un termen constant, cât �i func�ii sinusoidale de rang par pe lâng� cele de rang impar. Fig. 5.10 Parametrii regimului deformant pentru instala�iile de joas� tensiune. Deformarea undei de tensiune/curent se caracterizeaz� prin urm�torii indicatori: a) Reziduu deformant reprezint� unda care se ob�ine dintr-o und� periodic� dat� dup� suprimarea armonicii fundamentale. Valoarea efectiv� a reziduu-lui deformant este

A Ad nn

==

∞

� 2

2

;

b) Nivelul armonicii γ este raportul, exprimat în procente, dintre valoarea efectiv� a armonicii considerate (An) �i valoarea efectiv� a fundamentalei (A1); - pentru curba de tensiune γu=Un/U1⋅100, (%);

9-3

- pentru curba de curent γi=In/I1⋅100, (%). c) Coeficientul de distorsiune δ este raportul, exprimat în procente, dintre valoarea efectiv� a reziduu-lui deformant (Ad) �i valoarea efectiv� a fundamentalei (A1)

- pentru curba de tensiune ( )δ ud

nnU

U

U

U= ⋅ = ⋅=

�

1

2

2

40

1

100 100, % ;

- pentru curba de curent ( )δ id

nnI

I

I

I= ⋅ = ⋅=

�

1

2

2

40

1

100 100, % .

Aspectele calitative privind nivelurile de compatibilitate ale regimului deformant în punctele de delimitare între consumator �i furnizor sunt reglementate prin Normativul privind limitarea regimului nesimetric �i deformant în re�elele electrice PE 143/94 (elaborat în concordan�� cu normele CEI 1000-3-2/90 �i ANSI/IEEE-519/1992). Valorile limit� admise ale parametrilor regimului deformant pentru instala�iile de joas� tensiune în punctul de delimitare sunt:

- coeficientul de distorsiune = pentru curba de tensiune: δu ≤ 8%; = pentru curba de curent: δi ≤ (5 ... 20)%, în func�ie de m�rimea curentului de scurtcircuit în punctul de delimitare Isc, considerat ca multiplu al curentul nominal corespunz�tor sarcinii conectate Is (<20·Is ... >1000·Is) ;

- nivelul armonicilor = de tensiune (valori par�iale)

Rang n 3 5 7 9 11 γu, % 5 6 5 1,5 3,5

= de curent (valori par�iale, rangul n<11): γI ≤ (4 ... 15)%, în func�ie de m�rimea

curentului de scurtcircuit în punctul de delimitare:

Isc/Is <20 20-50 50-100 100-1000 >1000 Nivelul armonicii γi, % , n<11 4 7 10 12 15 Coeficientul de distorsiune, δi, % 5 8 12 15 20

5.3.3 Filtre de armonici Limitarea regimului deformant la instala�iile existente se face prin instalarea filtrelor de armonici. Filtrele se monteaz� dup� ce m�sur�torile efectuate conform PE 143 au pus în eviden�� dep��irea valorilor limit� admise ale parametrilor regimului deformant – nivelurile armonicilor �i coeficentul de distorsiune sau exist� pericolul apari�iei fenomenului de rezonan�� pe una din armonicile produse de acest regim. Elemente de circuit simple în re�ea deformat�. a) Fie un circuit LC serie, compus dintr-o bobin� �i un condensator cu inductivitatea L �i capacitatea C la frecven�a de 50 Hz. Impedan�a fa�� de armonica n este determinat� de reactan�ele celor dou� elemente (considerând rezisten�a nul� pentru cazul ideal al elementelor de circuit simple) Zn=nωL – 1/nωC. Circuitul este în rezonan�� “serie” pe o armonic� n dac� Zn=0, adic� n2ω2LC=1. Frecven�a armonicii rezonante este fn=1/2π√LC. Impedan�a fiind minim� (teoretic zero), la aplicarea unei tensiuni u se ob�ine un curent foarte mare (teoretic infinit). Filtrul selecteaz� armonica n, oferind acesteia o cale de curent de impedan�� minim�. Dac� la bornele unui receptor se conecteaz� în paralel un circuit LC serie cu bobina �i condensatorul acordate la rezonan�� serie pe frecven�a fn, armonica de curent n este �untat� prin filtrul paralel �i nu mai ajunge la receptor.

9-4

Receptorul este protejat de p�trunderea curentului armonic In de c�tre filtrul absorbant conectat în paralel cu bornele sale – figura 5.11, a. b) Fie un circuit LC paralel, compus dintr-o bobin� �i un condensator cu inductivitatea L �i capacitatea C la frecven�a de 50 Hz. Admitan�a fa�� de armonica n este determinat� de susceptan�ele celor dou� elemente (considerând rezisten�a nul� pentru cazul ideal al elementelor de circuit simple) Yn=1/nωL – nωC. Circuitul este în rezonan�� “paralel” pe o armonic� n dac� Yn=0, adic� n2ω2LC=1. Frecven�a armonicii rezonante este fn=1/2π√LC. Admitan�a fiind minim� (teoretic zero), impedan�a echivalent� este maxim� (teoretic infinit�), astfel c� la aplicarea unei tensiuni u se ob�ine un curent foarte mic (teoretic nul). Filtrul selecteaz� armonica n, oferind acesteia o cale de curent de admitan�� minim� – echivalent� cu o impedan�� maxim�. Dac� la bornele unui receptor se conecteaz� în serie un circuit LC paralel cu bobina �i condensatorul acordate la rezonan�� paralel pe frecven�a fn, armonica de curent n este blocat� prin filtrul paralel �i nu mai ajunge la receptor. Receptorul este protejat de p�trunderea curentului armonic In de c�tre filtrul refulant conectat în serie la bornele sale – figura 5.11, b.

Fig. 5.11

De remarcat c� un filtru absorbant LC acordat pe o frecven�� fn are un caracter capacitiv pentru frecven�e inferioare (deci pentru fundamental� �i armonicile inferioare) pentru c� nωL < 1/nωC, fiind astfel util pentru compensarea puterii reactive �i un caracter inductiv pentru frecven�e superioare (deci pentru armonicile superioare) pentru c� nωL > 1/nωC, eliminând pericolul de apari�ie al altor fenomene de rezonan�� la armonici superioare – figura 5.12, a. O combina�ie a celor dou� tipuri de filtre prezint� un caracter dual, fiind filtru absorbant pentru frecven�a f1 ( reactan�a nul�), respectiv refulant pentru frecven�a f2 (reactan�a infinit�) – figura 5.12, c.

Fig. 5.12

L

C

ReceptorC

L

Receptor

9-5

Curen�ii armonici din re�eaua de distribu�ie pot fi considerabil redu�i prin folosirea filtrelor absorbante. Filtrele sunt circuite cu rezonan�� serie, dimensionate pentru a produce rezonan�a exact la o frecven�� armonic� dat�, fie ea 250 Hz a armonicii a 5-a. Datorit� impedan�ei sc�zute a filtrului pentru aceast� armonic�, curen�ii de frecven�a 250 Hz sunt absorbi�i de filtru �i nu mai p�trund în re�ea. În plus, filtrul prezint� un caracter capacitiv pentru fundamentala tensiunii - 50 Hz - �i contribuie la compensarea puterii reactive cu frecven�a de 50 Hz. Filtrele se dimensioneaz� începând de la armonicile inferioare spre cele superioare, de obicei pentru armonica 5, armonica 7 �i, împreun�, armonicile 11 �i În multe cazuri, este suficient s� se prevad� doar un filtru pentru armonica 5, curen�ii armonici din re�ea reducându-se cu pân� la 70 ... 90 %. Filtrele se monteaz� în pozi�ia central�, la tabloul general al consumatorului sau la tabloul sarcinii generatoare de poluare armonic� - figura 5.13 Pentru dimensionarea filtrelor se consider�: - curen�ii armonici ai sarcinilor; - nivelul distorsiunii tensiunii în sistem; - reactan�a de scurtcircuit în punctul de conectare. O formul� simpl� de calcul a frecven�ei de rezonan�� fr=50⋅√Sk/QC, în func�ie de puterea de scurtciruit Sk în punctul de conectare a condensatoarelor �i de puterea reactiv� QC a acestora. 5.3.4 Efectele armonicilor asupra condensatoarelor din instala�ia de compensare a puterii reactive (a) Comportamentul condensatoarelor în re�ele cu echipamente de control în frevcven�� audio. Echipamentul de control în frecven�a audio utilizeaz� semnalele emise în frecven�a 160 ... 1350 Hz în re�eaua de distribu�ie a energiei electrice, pentru a comanda relee receptoare conectate la re�ea. Datorit� caracterului dependent de frecven�� al reactan�ei capacitive (XC=1/ωC, unde ω=2πf, f fiind frecven�a semnalului de control emis în re�ea), condensatoarele absorb aceste semnale; tensiunea de comand� este asfel sc�zut� sub limitele opera�ionale în apropierea condensatoarelor. Pentru a elimina acest neajuns, conectarea condensatoarelor la re�ea se face fie Fig. 5.13 prin intermediul unor blocuri de frecven��, fie a unor reactoare (bobine). Conform unor reglement�ri specifice, în re�ele f�r� armonici �i cu frecven�a semnalului mai mic� de 250 Hz, se pot folosi baterii de compensare a factorului de putere f�r� reactoare �i cu o putere a condensatoarelor pân� la 35% din puterea aparent� a transformatorelor de alimentare, f�r� alte m�suri de protec�ie. Dac� frecven�a semnalului este mai mare de 250 Hz, bateriile de condensatoare cu puteri mai mari de 10 kVAr trebuie s� fie prev�zute cu un bloc de frecven�� audio “trece sus”. În re�elele cu un con�inut ridicat de armonici, îmbun�t��irea factorului de putere este posibil� doar cu condensatoare conectate în serie cu reactoare (“condensatoare de tip inductiv”), care au un puternic caracter inductiv pentru frecven�e mai înalte decât anumite frecven�e audio �i nu necesit� instalarea suplimentar� a unor blocuri de frecven�� audio. Parametrii corespunz�tori reactan�elor trebuie selecta�i în raport cu frecven�a audio folosit�:

Frecven�a, Hz <250 >250 >350 XL/XC , % 14 ≥7 ≥5

(b) Condensatoare conectate în serie cu reactoare. Condensatoarele din instala�ia de îmbun�t��ire a factorului de putere �i inductivit��ile existente în re�eaua de distribu�ie pot forma un circuit rezonant la o anumit� frecven�� armonic� n - XL

n=XCn, adic� ω[n]L=1/ω[n]C, echivalent

cu (2π⋅n⋅50)2LC=1; în aceast� expresie n este ordinul armonicii (5, 7, 9, 11, ...); 50 - frecven�a de baz� (50 Hz); L - inductivitatea bobinei din re�ea, la 50 Hz; C - capacitatea condensatorului din re�ea, la 50 Hz. Ca urmare a valorii sc�zute a impedan�ei echivalente, intensitate curentului

M

sistem de distributie primara

transformator

convertor

la filtre

filtre

de laconvertorΣl(υ) υ=5 υ=7 υ=11.13

Joasa tensiune

9-6

pentru armonica n poate cre�te considerabil �i, astfel, poate provoca deteriorarea elementelor de re�ea în cauz� - condensatorul �i/sau bobina. Din aceste motive, condensatoarele conectate în sisteme echipate cu convertizoare/ redresoare trebuie s� fie prev�zute cu bobine înseriate - figura 5.14. Circuitul serie bobin�-condensator este astfel dimensionat încât frecven�a de rezonan�� s� fie mai mic� decât armonica 5 - între 200 �i 220 Hz. Circuitul devine inductiv pentru frecven�ele superioare, deci pentru toate celelalte armnoici din re�ea �i nu mai este posibil� apari�ia altor fenomene de rezonan��. Întrucât prin condensator circul� �i o important� parte din armonicile de curent, în special armonica 5, instala�ia de îmbun�t��ire a factorului de putere asigur� �i o atenuare a polu�rii armonice din re�ea. Fig. 5.14

Condensatoarele “de tip inductiv” pot fi utilizate atât în compensarea individual� cât �i centralizat�. Se recomand� montarea acestui tip de condensatoare în cazul în care echipamentul care genereaz� armonicile reprezint� mai mult de 20% din sarcina consumatorului. 5.3.5 Cerin�e reciproce de calitate pentru iluminatul electric - energia electric� Reglement�ri. Standardul românesc. Prevederile prescrip�iei PE 143 sunt prezentate anterior:

Standardul IEC. Emisia armonic� pentru echipamentul de iluminat este reglementat� în standardul IEC 1000-3-2 “Limitele armonice pentru aparate de joas� tensiune cu curen�i mai mici de 16 A”, echipamentul de iluminat fiind încadrat în clasa C. Nivelul armonicilor de curent nu trebuie s� dep��easc� valorile limite admise (k este factorul de putere al circuitului):

Rang n 2 3 5 7 9 11 ... 39 γi , % 2 30·k 10 7 5 3

Coeficientul de distorsiune, denumit în normele europene “coeficientul total de distorsiune (THD - Total Harmonic Distorsion)” trebuie s� fie mai mic de 33%, iar factorul de putere - mai mare de 0,95. Standardul nu reglementeaz� emisia armonic� a l�mpilor cu desc�rc�ri cu balast încorporat, a variatoarelor de tensiune (dimmer) �i a echipamentelor de iluminat cu putere inferioar� de 25 W, ceea ce face ca l�mpile fluorescente compacte �i l�mpile cu halogeni de 12 V s� nu fie cuprinse în standard (fapt criticat de mul�i autori în lucr�ri de specialitate). Acesta este unul dintre motivele pentru care numeroase studii privind poluarea armonic� produs� de echipamentele de iluminat s-au axat în special pe l�mpile fluorescente compacte Standardul men�ionat a fost adoptat ca standard na�ional de ��rile membre CENELEC (organism european ce cuprinde 16 state).

M

sistem de distributie primara

transformator

convertorfiltre

Putere reactiva Q

υ=5 υ=7 υ=11.13

Joasa tensiune

Putere activa P

convertor

transformator

condensator

9-7

Standardul ANSI/IEEE. Standardele nord-americane nu specific� nici o limit� pentru emisia armonic� a echipamentelor. Standardul IEEE 519-1992 “Practici recomandate �i cerin�e pentru controlul armonic în sistemele de putere electric�” ofer� doar orient�ri privind injec�ia admisibil� a curen�ilor armonici din partea consumatorilor individuali în sistemul de putere. Armonici produse de sursele de lumin�. a) L�mpi folosite în iluminatul public. M�sur�ri efectuate în cadrul FRE Cluj (1995) asupra regimului de func�ionare a re�elei de iluminat public au condus la eviden�ierea situa�iei din figura 5.15: - distorsiunea undei de tensiune este în limitele admisibile, în timp ce poluarea armonic� a undei de curent dep��e�te valorile maxime admise de PE 143 (IEEE 519) - nivelurile armonicilor de curent 3 �i 5 sunt mai mari de 1,20 ... 2,75 ori, iar coeficientul de distorsiune este mai mare de 1,40 ... 1,90 ori; - coeficientul de distorsiune este în general mai mic de 5%, întrucât re�eaua alimenteaz� atât iluminatul public cât �i consumatori casnici; - re�eaua trifazat� public� are o sarcin� de iluminat nesimetric�, observabil� în special în armonicile 5 de curent �i tensiune; - factorul de putere este sc�zut, în unele sectoare de re�ea sub 0,6. Fig. 5.15

Nivelurile armonicilor de curent în re�eaua de distribu�ie

Ordinul armonicii n 3 5 7 9 ... 25 Nivelul faza R 16,0 20,0 10,1 2,6 ... 0,4

armonicii faza S 14,2 14,0 5,9 1,2 ... 0,2 γi, % faza T 18,0 32,6 10,8 3,4 ... 0,6

M�sur�ri de laborator efectuate asupra l�mpilor uzuale folosite în iluminatul public -

lampa cu vapori de mercur de înalt� presiune �i lampa cu vapori de sodiu de înalt� presiune [7; 11] - au pus în eviden�� prezen�a armonicii 3 de curent, al c�rei nivel este de 8 ... 10% pentru lampa cu vapori de mercur, respectiv de 6 ... 12% pentru lampa cu vapori de sodiu; coeficientul de distorsiune este de 8 ... 10% pentru lampa cu vapori de mercur, respectiv de 6,5 ... 13% pentru lampa cu vapori de sodiu (gama de varia�ie este determinat� de puterea �i produc�torul l�mpii). b) L�mpi folosite în iluminatul interior. L�mpi cu vapori de sodiu de înalt� presiune. Lucrarea [8] analizeaz� problemele ap�rute în instala�iile de iluminat pentru sere, determinate de prezen�a armonicilor de curent - factor de putere sc�zut, supraînc�rcarea transformatorului re�elei de alimentare, deteriorarea unor echipamente de iluminat �i pierderile de energie suplimentare.

9-8

M�sur�ri efectuate asupra mai multor instala�ii de iluminat au eviden�iat prezen�a armonicilor 3, 5 �i 7. Gradul de distorsiune este dependent de sarcina conectat� în circuit, coeficientul de distorsiune fiind maxim pentru un anumit num�r de corpuri de iluminat conectate; în unele sisteme de iluminat nu a fost remarcat� aceast� corela�ie. Distorsiunea armonic� în instala�ia de iluminat este cauzat� par�ial de distorsiunea undei de tensiune din re�eaua de medie tensiune; fiind mai mare în cursul orelor de sear�, decât noaptea. Pentru evitarea apari�iei rezonan�ei serie cauzate de armonicile 5 �i 7, trebuie ca frecven�a de rezonan�� s� fie adus� în jurul valorii de 200 Hz. În acest scop (a) se utilizeaz� bobine înseriate cu condensatoarele de îmbun�t��ire a factorului de putere ce echipeaz� fiecare corp de iluminat, formând astfel filtre serie individuale sau (b) se prev�d bobine de filtrare montate pe fiecare circuit de iluminat.

L�mpi fluorescente compacte. Numeroase studii au fost elaborate pentru analiza emisiei armonice a acestor tipuri de l�mpi. În [15] se propun trei categorii de clasificare:

- balasturi electronice cu înalt grad de distorsiune - coeficientul de distorsiune total δI dep��e�te 100%, având valori uzuale între 110 ... 130% - [9];

- balasturi electronice cu distorsiune redus� - coeficientul de distorsiune total δI sub 30%, uzual între 7 ... 15% - [9] datorit� unor componente pasive de control al armonicilor (filtre serie);

- balasturi magnetice - coeficientul de distorsiune total δI sub 20% al montajului clasic - lampa în serie cu un balast inductiv.

Studiul [5] urm�re�te determinarea influen�ei produse de utilizarea l�mpilor fluorescente compacte într-un microcartier de locuin�e asupra polu�rii armonice a re�elei de distribu�ie. Zona reziden�ial� cuprinde 17 case unifamiliale; l�mpile incandescente au fost înlocuite cu l�mpi fluorescente compacte de 7, 11 sau 15 W produse de firme diferite - GE Lighting, Osram, Philips �i Sylvania. Spectrul undei de curent al l�mpilor individuale este caracterizat de o puternic� armonic� trei, coeficientul de distorsiune total fiind între 85 ... 103%, în func�ie de putere �i produc�tor. Cu toate acestea, analiza armonic� în re�eaua de distribu�ie înainte �i dup� instalarea l�mpilor fluorescente compacte a relevat o influen�� sc�zut� în conductoarele de faz� �i în conductorul neutru, ceea ce înseamn� c� poluarea armonic� a re�elei este determinat� de celelalte sarcini electronice - radiouri �i televizoare, aparatura video, calculatoare �i imprimante �i alte echipamente. Contrar a�tept�rii distribuitorului de energie electric�, armonicile generate de utilizarea l�mpilor fluorescente compacte în zona reziden�ial� analizat� au un efect minor asupra calit��ii puterii în re�eaua electric� de distribu�ie.

Studiul [14] analizeaz� impactul produs de reabilitarea instala�iei de iluminat a unei cl�diri. Sarcina total� modelat� este de 100 kVA, din care iluminatul incandescent reprezint� 50%. Se utilizeaz� l�mpi fluorescente compacte cu balast electronic (cu coeficient de distorsiune total de 115%) �i magnetic. În tabel sunt date principalele caracteristici ob�inute la diferite grade de înlocuire a l�mpilor existente cu noile l�mpi fluorescente compacte (cu balast electronic).

Procentul de înlocuire, % 10 25 50 100 Procentul sarcinii LFC din sarcina total� a cl�dirii, % 1,5 4,1 9,4 26,3 Coeficientul de distorsiune total, % 1,7 4,5 9,8 23,5 Distorsiunea undei de tensiune, % 0,3 0,7 1,5 4,4

Se constat� c� o sarcin� de iluminat cu l�mpi fluorescente compacte care nu dep��e�te

25% din sarcina total� a cl�dirii afecteaz� în limite admise calitatea puterii în re�eaua de alimentare.

Un alt studiu [10] modeleaz� influen�a sarcinii create de l�mpile fluorescente compacte utilizate în locuin�e individuale. Un fider de 10 MVA poate alimenta circa 3000 - 4000 locuin�e individuale, fiecare având o sarcin� posibil� de 50 W în l�mpi fluorescente compacte de 9 ... 33 W fiecare; dac� dou�/trei dintre aceste l�mpi sunt echipate cu balast electronic, rezult� o distorsiune a undei de tensiune ce poate dep��i limita de 5%. Astfel, se recomand� ca sarcina

9-9

deformant� suplimentar� (balasturile elcetronice ale l�mpilor fluorescente compacte) s� nu dep��easca 1% din sarcina total� a re�elei.

L�mpi cu halogeni. O analiz� a caracteristicilor l�mpilor eficiente energetic [4] eviden�iaz� distorsiunea armonic� produs� de l�mpile cu halogeni de 52 - 90 W, cu coeficientul de distorsiune total� de 43,7%. Pentru l�mpi cu halogeni de joas� tensiune, studiul [13] relev� distorsiuni provocate de prezen�a transformatorului (balastului) de alimentare, cu valori dependente de puterea l�mpii, maxime (16,8%) pentru lampa de 20 W �i minime (7,9%) pentru lampa de 75 W. Func�ionarea l�mpilor electrice într-o re�ea poluat� armonic. L�mpile cu incandescen�� sunt influen�ate prin sc�derea duratei de via��, �tiut fiind c� aceasta este dependent� de nivelul tensiunii de alimentare. Datorit� armonicilor, tensiunea de alimentare a l�mpilor cre�te comparativ cu tensiunea fundamentalei, astfel c� o temperatur� mai ridicat� a filamentului l�mpii conduce la sc�derea duratei de via��. În ce prive�te l�mpile cu desc�rc�ri, nu se semnaleaz� efecte negative luminotehnice determinate de distorsiunea undei de tensiune. Prezen�a balasturilor �i condensatoarelor în schemele de alimentare (func�ionare) a l�mpilor ar putea s� creeze probleme de rezonan�� pentru anumite frecven�e armonice. Dar, datorit� faptului c� frecven�a de rezonan�� a celor mai multe tipuri de l�mpi este în domeniul 75 - 80 Hz, aceste probleme nu apar în interconexiunea cu re�eaua de putere - [16].

Un interesant studiu [1] analizeaz� comportamentul l�mpilor fluorescente compacte conectate într-o re�ea cu unda de tensiune sinusoidal�, respectiv deformat�, cu diferite grade de distorsiune total�, de 4,6%, 15,5% �i respectiv 36,4%. Pentru compara�ie este analizat� �i o lamp� cu incandescen��; l�mpile fluorescente compacte sunt prev�zute cu balast magnetic, balast magnetic cu dispozitiv de corec�ie a factorului de putere �i balast electronic. Rezultatele sunt urm�toarele:

- balast magnetic - coeficientul de distorsiune al undei de curent cre�te de la 10% (pentru unda sinusoidal�) la 14% (pentru unda deformat� 36,4%); fluxul luminos emis scade cu 7 - 10% pentru distorsiunea maxim� a tensiunii de alimentare;

- balast magnetic cu dispozitiv de corec�ie a factorului de putere - coeficientul de distorsiune al undei de curent (13%) �i fluxul luminos emis r�mâne constant pentru toate formele undei de tensiune;

- balast electronic - coeficientul de distorsiune al undei de curent este de 82% pentru tensiunea sinusoidal�, crescând pân� la 99,8% pentru distorsiunea maxim� a tensiunii de alimentare; fluxul luminos emis de l�mpi cre�te cu distorsiunea tensiunii de alimentare. M�suri de înl�turare sau diminuare a polu�rii armonice a re�elei de distribu�ie. M�suri active �i pasive de diminuare a polu�rii armonice în re�eaua de distribu�ie �i de iluminat public au fost analizate în numeroase lucr�ri de cercetare.

În instala�iile de iluminat public (cu l�mpi cu desc�rc�ri), problem� cea mai important� este apari�ia curen�ilor mari pe conductorul neutru, asocia�i distorsiunii armonice. Influen�a defavorabil� a acestora poate fi eliminat� cu ajutorul unor elemente pasive - bobine de blocaj montate în diverse configura�ii - figura 5.16 (dup� [11]): a - compensare individual� �i filtrare centralizat� cu bobin� cu neutru auxiliar; b - compensare �i filtrare centralizat�; c - compensare �i filtrare individual�. O solu�ie mai costisitoare const� în eliminarea conductorului neutru prin utilizarea unui transformator special Y/∆ cu tensiunea de linie secundar� de 230 V, care alimenteaz� re�eaua de iluminat public (�i consumatorii civili cu receptoare monofazate). Astfel este suprimat� automat armo-nica 3, iar pentru eliminarea armonicii 5 se introduce un mic filtru la ie�irea din transforma-tor. O solu�ie practic� analizat� în [11] - Ramon San Martin - a constat în introducerea balastu-rilor electronice tip ECOLUM 100W pentru l�mpi cu vapori de sodiu de înalt� presiune, respectiv ECOLUM 150W pentru l�mpi cu vapori de mercur. Instala�ia de iluminat cuprinde 122 l�mpi cu vapori de mercur �i 8 l�mpi cu vapori de sodiu. S-a ob�inut o

9-10

reducere a pierderilor de putere activ� cu 12%, cre�terea factorului de putere de la 0,90 la 0,99, m�rirea nivelului de iluminare medie cu 30% �i reducerea con�inutului de armonici, coeficientul de distorsiune total diminuat cu pân� la 57% fiind sub limitele admise. Printre m�surile uzuale de atenuare a regimului deformant produs în re�eaua de distribu�ie care alimenteaz� cl�diri comerciale cu instala�ii de iluminat fluorescent trifazate - [12] - sunt: (a) alimentarea prin transformatoare de construc�ie special� - transformatoare duble cu înf��ur�ri secundare defazate; conductorul neutru al re�elei parcurge ambele înf��ur�ri secundare �i astfel se ob�ine neutralizarea armonicii a treia de curent; (b) filtre montate pe nul (între punctul neutru al sarcinii �i cel al transformatorului de alimentare) alc�tuite din dou� componente înseriate - un filtru de rezonan�� serie �i unul de rezonan�� paralel, cu impedan�� minim� pentru fundamental� �i maxim� pentru armonicile 3 �i 9; coeficientul de distorsiune total a fost redus de la 8,5% pân� la 2,9% (pentru o instala�ie trifazat� de laborator echipat� cu 7 l�mpi fluorescente pe fiecare faz�). Concluzii. Instala�iile de iluminat echipate cu l�mpi cu desc�rc�ri creaz� o serie de probleme re�elei electrice datorit� caracterului neliniar al sarcinii, factorului de putere sc�zut �i dezechilibrului produs în re�eaua trifazat�. Gradul de poluare armonic� a re�elei este determinat de m�rimea sarcinii electrice de iluminat �i de caracteristicile individuale ale l�mpilor. Înc�rcarea suplimentar� a conductorului neutru al re�elei, datorit� caracterului nesimetric al sarcinii �i prezen�ei armonicii a treia, este o problem� ce-�i afl� rezolvarea prin utilizarea unor transformatoare de alimentare de construc�ie special� sau prin introducerea unor filtre pasive pe conductorul neutru. Poluarea armonic� este diminuat� prin filtre pasive pentru armonica 3 sau prin limitarea ponderii sarcinii deformante a l�mpilor cu desc�rc�ri în sarcina total� a re�elei. Influen�a produs� de tensiunea deformat� a re�elei asupra func�ion�rii l�mpilor eficiente energetic este minim�. Fig. 5.16

L2L3N

L1

BB

BB

BB BB BB

L2

NL3

L1

N

L1L2L3

9-11

Bibliografie (a) General� pentru curs 1. Iordache Mihaela, Conecini, I., Calitatea energiei electrice, Editrua tehnic�, Bucure�ti, 1997 2. Seip, G. Siemens - Electrical Installations Handbook, part 2, cap. 7 Power-factor correction, Ed. 2, 1987 3. * * * Normativ privind limitarea regimului nesimetric �i deformant în re�elele electrice, indicativ PE 143 4. Prospect SIEMENS 5. Prospect FRAKO - Power Factor Correction Capacitors (b) Pentru paragraful 5.3.5 [1] Arseneau, Rejean, M. Ouellette. 1993. “The effects of supply harmonics on the performance of compact fluorescent lamps”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 8, No. 2, April, p. 473 - 479 [2] Borg N., Gothelf N. 1995. ”Lighting Power Quality Standards - A Brief International Overview”, IAEEL newsletter no.12, vol 4, 3-4/95, p. 7 [3] Chindri� M., S. �tef�nescu, F. Pop. 1997. “A New Policy in Public Lighting of Cluj-Napoca”, Proceedings of the 4th Right Light Conference. Copenhagen, volume 1, p. 229 - 232 [4] Etezadi-Amoli, Mehdi, T. Florence. 1989. “Power factor and harmonic distorsion characteristics of energy efficient lamps”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 4, No. 3, July, p. 1965 - 1969 [5] Gothelf, Natan. 1997. “Power Quality Effects of CFLs - A Field Study”, Proceedings of the 4th Right Light Conference. Copenhagen, volume 2, p. 77 - 81 [6] Gluskin, Emanuel. 1990. “High Harmonic Currents in Fluorescent Lamp Circuits”. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 26, No. 2, March-April, p. 347 - 350 [7] Gu�� Mihaela, Camelia Burlacu, M. Costea. 1997. “High Pressure Discharge Lamp - A Non-Liniar Circuit Element? Harmonics Level. Network Electricity Losses Determined by Distorting Conditions”, Proceedings of the 4th Right Light Conference. Copenhagen, volume 1, p. 237 - 242 [8] de Jongh, K.H.R., J.A Bartels. 1997. “Recommendations for large lighting systems to prevent harmonic distorsion” [9] Lachaume, J., B. Chazottes, P. Fauquembergue. 1997. “Harmonic Disturbances caused by Compact Fluorescent lamps” [10] Pileggi, D.J., E.M. Gulachenski, C.E. Root, T.J. Gentile, A.E. Emanuel. 1993. “The effect of modern compact fluorescent lights on voltage distorsion” , IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 8, No. 3, July, p. 1451 - 1459 [11] Pop Florin, R. San Martin, M. Chindri�, L. Ferrero, S. �tef�nescu. 1997. “Analysis of the harmonic distorsion of the public lighting network. Active correction of the harmonics for the public lighting in the Clades d’Estrac town”, Proceedings of the 8th European Lighting Conference LUX EUROPA, authors’ separate booklet [12] Szczepanik, J., W. Lawrance, W. Mielczarski. 1995. “Reduction of harmonics losses in three phase fluorescent lighting circuits”, AUPEC ’95 Proceedings, Australia, Vol. 3, p. 507 - 511 [13] Topalis, Frangiskos V. 1993. “Efficiency of energy saving lamps and harmonic distorsion in distribution systems”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 8, No. 4, October, p. 2038 - 2042 [14] Verderber, Rudolph R., O.C. Morse, W.R. Alling. 1993.“Harmonics from Compact Fluorescent Lamps”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 29, No. 3, May/June, p. 670 - 674 [15] Zavadil B., A.K. Khan, R. Sung, T. Houy. 1997. “Evaluation of harmonics Impacts from Compact Fluorescent Light On Distribution Systems” [16] Wagner W.E. et alt.1993. “Effects of Harmonics on Equipment”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 8, No.2, April, p. 672-680