Aktív felharmonikus szűrők - egy kis történeti áttekintéssel
2010/5. lapszám | Polgár Viktor | 7343 |
Figylem! Ez a cikk 15 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A reformáció éveiben, Deák Ferenc politikai karrierjének kezdetén azok az államférfiak, akik életüket és vagyonukat is feláldozták volna Magyarország fejlődése érdekében, egy dologban feltétlenül egyetértettek, és ezt meg is fogalmazták: „A hazának s...
A reformáció éveiben, Deák Ferenc politikai karrierjének kezdetén azok az államférfiak, akik életüket és vagyonukat is feláldozták volna Magyarország fejlődése érdekében, egy dologban feltétlenül egyetértettek, és ezt meg is fogalmazták: „A hazának szent neve – írja Kölcsey – nem csatolja magát a föld porához. Emberek teszik a valóságos hazát, nem az életnélküli halmok és térségek, mik ezerféle népnek, egyforma érzéketlenséggel adhatnak lakást.” Valóban a nemzet csak akkor él, sőt csak akkor van a szó nemes értelmében hazája, ha nagy fiai támadnak, kiknek történetét tovább szövik.
Mit keresnek a fenti mondatok egy szakmai cikk elején, kérdezheti a kedves olvasó? Gondoljuk át a fentieket, áthelyezve az elektrotechnika világába! Ha nagy elődeink (Faraday, Lenz, Thomson, Ohm, Volta, Ampere, Watt stb.) tettei nem maradnak ránk örökségül; ha soron következő nemzedékek nem veszik át a stafétabotot; ha nagy tudósaink nem keresik az elektrotechnikában állandóan a fejlődés útját; ha nem valósul meg az elektrotechnikában az, ami a mindennapokban is (a mindig jobb és jobbnak keresése), akkor a mai kor nemzedéke nem LCD-én nézné a világ eseményeit, nem GPS-el tájékozódna az utakon, nem ismerné a villamosság alaptörvényeit és nem értük volna el a technikai civilizáció jelen fokát.
A kedves olvasó bizonyára jól ismeri hogyan jutottunk el a mai technikai színvonalhoz, hogyan tökéletesítettük az elektrotechnika mozgató rugóját, a villamos hálózatot - amelyet tudtunkon kívül akár tönkre is tehetünk. Tekintsünk át néhány mozzanatot az aktív szűrők bemutatása előtt!
Ahogy mondani szokták, „ már az ókori görögök is ismerték” a statikus elektromosság jelenségét, ami állati szőrme és más tárgyak összedörzsölésekor állt elő. Bár Benjamin Franklin kísérlete, amelynek során viharban sárkányt reptetett és ennek elektromos töltését vizsgálta volna, inkább csak anekdota, mégis, az általa felvetett gondolat, miszerint a megdörzsölt állati szőrme által keltett statikus szikrázás és a villámlás fülrepesztő dörrenése ugyanannak a dolognak két különböző megnyilvánulási formája, ösztönzőleg hatott a kor tudósaira, akiknek későbbi munkája megvetette az elektromosság vizsgálatának és felhasználásának alapjait. E tudósok között voltak például Luigi Galvani (1737-1798), Alessandró Volta (1745-1827), Michael Faraday (1791-1867), André-Marie Ampere (1775-1836), és Georg Simeon Ohm (1789-1854.). A késői 19. század és a 20. század eleje olyan óriásokat vonultatott fel a villamosmérnöki tudományban, mint például Nikola Tesla, Samuel Morse, Thomas Edison, George Westinghause, Werner von Siemens és Alexander Graham Bell.
Munkásságuk nyomán ismerkedtünk meg olyan alapfogalmakkal, mint például az elektromos töltés és erőtér, az elektromos potenciál, áram, energia, teljesítmény, valamint az elektromos erőművek, a meddő energia és újabban az energia színe.
Az utóbbi években (évtizedekben) rendkívüli módon felgyorsult a technikai fejlődés, ez magával hozta az energetika és a villamos hálózat fejlődését is.
Amikor azt tapasztaltuk, hogy a villamos hálózat a technikai fejlődéssel együtt fejlődött és nőttön-nőtt, nem gondoltunk arra, hogy az oly sok kínnal-keservvel kifejlesztett villamos hálózatot tönkre is tehetjük. Miért is?
Napjainkban a villamos energia fogyasztói összetételében jelentős változás van folyamatban. A fogyasztói struktúra változása visszahat a villamos energia minőségi mutatóira és olyan paraméterek válnak fontossá, amelyekkel eddig nem kellett foglalkozni. Az új típusú berendezések valamennyien ún. nemlineáris terhelések (szinuszos feszültségre kapcsolva nem szinuszos áramot vesznek fel), amelyek a hálózatra való visszahatásukkal befolyásolják a villamos energia minőségét. A nemlineáris fogyasztók felharmonikus áram termelése miatt a táphálózatba visszainjektált harmonikus áramok a csatlakozási pontban feszültségtorzulást okoznak. A felharmonikus vagy röviden harmonikus áramok a vezetéken a hálózat felé záródnak, és a vezetéken harmonikus feszültségesést hoznak létre. A harmonikus feszültségesések a feszültség jelalakját torzítják a tiszta szinuszos jelalakhoz képest. A harmonikusokat tehát a villamosenergia-rendszer nemlineáris fogyasztói keltik.
Vegyünk néhány példát a felharmonikusokat termelő fogyasztókra!
Időben állandó: telítődő vasmagot tartalmazó fogyasztók, információ technológiai berendezések, kompakt fénycsövek elektronikus előtéttel.
Lassan változó: fényerő szabályozós lámpák, fénymásolók, tirisztorral szabályozott berendezések, mikrohullámú sütők.
Gyorsan változó: fordulatszám szabályozott villamos hajtások, impulzusszélesség modulált inverteres hajtások, hegesztő berendezések.
A kisfeszültségű hálózaton jelentkező sajátos probléma a feszültség változása által okozott gyújtásszög-változás, ami az elektronikus előtétes, energiatakarékos, kompakt lámpák esetében fényáram változással jár és villogást okoz. A feszültség változását okozhatja a harmonikus tartalom megváltozása vagy a feszültségletörést okozó esemény.
A feszültség harmonikus tartalmának rezonancia miatti megnövekedése okozhat nem várt működést olyan berendezésekben, amelyekben beépített védelem van feszültségtorzulásra. Ilyenek például a szünetmentes tápok, amelyek 5%-os nagyságú 5. harmonikust engednek meg a bemenetükön, ennél nagyobb értéknél kikapcsolnak és a kimenetükről táplált számítógépek kiesnek. Nagyobb teljesítményű fogyasztók esetén az üzemeltetők szinte kivétel nélkül alkalmaznak meddőteljesítmény-kompenzálást (másnéven fázisjavítást). A fázisjavításra automatikus kondenzátortelepek szolgálnak. Itt hívjuk fel a figyelmet arra, hogy a harmonikusok jelenlétében csak fojtózott kondenzátortelepek alkalmazása javasolható, így ugyanis elkerülhető a harmonikus rezonancia kialakulása és annak súlyos, pusztító következményei.
A hagyományos kondenzátorok hálózatra kapcsolása esetében a kondenzátorok 50 Hz-es „fázisjavító szerepet töltenek be, de a magasabb frekvenciákon a hálózat impedanciáival közösen már erősítik a harmonikus áramokat.
A felharmonikusok szűrésére régebben a legelterjedtebben alkalmazott megoldás a hálózatra kapcsolt soros rezgőkörök alkalmazása volt. Működési elve szerint a rezonancia frekvencián kisebb impedanciával rendelkező soros körön keresztül záródnak a harmonikus áramok. A módszernek a legnagyobb hátránya az, hogy számos nagy kapacitású kondenzátor kell a felharmonikus frekvenciák számára szükséges kis impedanciák eléréséhez. Ennek hatására a hálózat eredőben kapacitívvá válik és előfordulhat, hogy „indirekt” meddőkompenzációt kell alkalmazni a hálózat kapacitív jellegének megszüntetéséhez. Az alkalmazott passzív elemek miatt a rendszer szabályozhatósága és kapcsolási fokozatossága nem képes megfelelő sebességgel és finomsággal lekövetni a hálózaton „szinte” állandóan változó harmonikus tartalmat. Nagy figyelemmel kell kialakítani, mert a passzív szűrők rendkívül könnyen túlterhelhetők. Ez a megoldás csak ott javasolható, ahol biztosítható, hogy a szűrő ne terhelődjön túl az idegen nemlineáris fogyasztók által termelt harmonikus áramtól.
Jelentős javulást lehet elérni a belső hálózaton a fogyasztók csoportosításával, vagyis a hagyományos, valamint a nemlineáris fogyasztók szétválasztásával külön hálózatra (a csatlakozási ponttól). A nemlineáris fogyasztók által a belső hálózat impedanciáján okozott feszültségtorzulás nem kerül a lineáris fogyasztók tápfeszültségére, csak a csatlakozási ponttól a táppontig tartó közös szakasz feszültségtorzulását észlelik, ami általában 20-30%-al kisebb, mintha közös hálózaton jönne létre a feszültségtorzulás.
Egyedi transzformátorok alkalmazásával is kiszűrhetők a harmonikusok. Az egyik legegyszerűbb megoldás a harmadik harmonikus kiszűrésére, amelyet minden KÖF/KIF transzformátor alapból ellát úgy, hogy a földelt csillag/delta kapcsolású transzformátorok esetében a delta oldalra nem kerül át a 3. harmonikus áram. Ez nem csak a KÖF/KIF átalakítás esetében alkalmazható, hanem leválasztó transzformátorként is alkalmazhatjuk a kapcsolást, amely biztosítja a harmadik harmonikus kiszűrését. Itt azért megemlíteném, hogy a nulla vezető keresztmetszetének megválasztásakor feltétlenül figyelembe kell venni a hálózat harmonikus tartalmát.
Az aktív harmonikus szűrés lényegében a fogyasztói áram szinuszosítása elektronikus módon. Ennek eléréshez elengedhetetlen a jelentősen fejlett teljesítményelektronika és a mikroprocesszoros vezérlés. Az aktív szűrés lényege egyszerűen szólva a következő: a fogyasztó által felvett harmonikusokkal szennyezett áramba ellenkező előjelű harmonikus áram betáplálása „valós időben”, ezáltal a hálózat felé tiszta (50 Hz) szinuszos jelalak jelenik meg, amely nem torzítja el a hálózati feszültséget.
Fontos tisztázni, hogy minden gyártó törekszik a „valós” idejű kompenzálásra, amely igazából azt jelentené, hogy akkor tápláljuk be a hálózatba a szükséges kompenzáló áramot, amikor keletkezik. Ez csak abban az esetben lehetséges, ha tudjuk, mi lesz a következő időpillanatban, hogy a megfelelő jelalakot a szükséges teljesítménnyel együtt elő tudjuk állítani. A manapság előforduló aktív harmonikus szűrök mindezt 300-500 µs-os válaszidővel képesek követni, amit a 20 ms-es periódusidőhöz érdemes viszonyítani. A kompenzálást az 50. harmonikusig végzik, a gyakorlatban azonban a 25. harmonikus felett már nem igazán fordulnak elő kompenzálandó áramok. A jelalakok előállításához IGBT-ket használnak 10-15 kHz-es kapcsolási sebességgel. Különbséget kell tenni az aktív szűrők esetében a három, illetve a négyvezetős rendszerekhez készített változatok között. A háromvezetős rendszereket abban az esetben érdemes alkalmazni, ha maga a hálózat is háromvezetős, vagy csak olyan fogyasztók vannak a hálózaton, amelyek nem hoznak létre zérus sorrendű harmonikust, mivel a háromvezetős aktív szűrők nem képesek a nulla vezető harmonikus áramát kompenzálni. A négyvezetős aktív szűrők a három fázis mellett a nulla vezetőt is képes kompenzálni. A gyakorlatai alkalmazások esetében a négyvezetős alkalmazás az elterjedt, a hálózati kialakítás miatt a háromvezetős szinte csak ipari hálózatokon fordul elő. A harmonikusok kompenzálásán kívül általában még két fontos paramétert képes kompenzálni az aktív szűrő, ebből a legfontosabbnak tekinthető a meddő áram (50 Hz-es komponens kompenzálása cosφ=1), valamint az aszimmetria.
A feszültség harmonikus tartalmat az MSZ EN 50160-as szabvány határolja be. Tekintettel arra, hogy a torzítást nem az áramszolgáltató hozza létre, az áramszolgáltató feladata az, hogy a megengedett torzítási szintet szétossza a fogyasztók között, meghatározva ezzel a szükséges szűrési feladatokat is a fogyasztóknak. Ennek ellenére az áramszolgáltató is beavatkozhat közvetlen módon. A feszültségtorzulás csökkenthető minden feszültségszinten (ha a rezonancia veszélye kizárt) a tápoldal zárlati teljesítményének növelésével vagy harmonikus szűréssel (aktív vagy passzív). Mivel a fogyasztók egyre nagyobb mértékben szennyezik a villamos hálózatot, várhatóan a harmonikus szennyezésnek is ugyanolyan tarifája lesz, mint a meddő energiavételezésnek. Érdemes lenne jobban odafigyelni a fogyasztóknak arra, hogy mennyire szennyezik harmonikusokkal a hálózatot, mivel ez nemcsak a saját készülékeikre van hatással, hanem a hálózat többi fogyasztójára is.
