| Περίληψη: | Ένα από τα πιο σύγχρονα προβλήματα στα συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας είναι οι αρμονικές ρεύματος. Γενικά, η αρμονική μιας κύμανσης είναι μια συνιστώσα συχνότητας του σήματος, η οποία είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της θεμελιώδους συχνότητας, π.χ. εάν η θεμελιώδης συχνότητα είναι f, οι αρμονικές έχουν συχνότητες 2f,3f,4f και ούτω κάθε εξής. Για το ηλεκτρικό σήμα, η θεμελιώδης συχνότητα είναι τα 50 Hz. Άρα, οι αρμονικές του ηλεκτρικού ρεύματος έχουν συχνότητες ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους συχνότητας. Παραδείγματος χάρη, 100 Hz είναι η αρμονική δεύτερης τάξης, 150 Hz είναι η αρμονική τρίτης τάξης, 200 Hz είναι η αρμονική τέταρτης τάξης και ούτω κάθε εξής.
Αιτία ύπαρξης αρμονικών ρεύματος είναι η ύπαρξη μη γραμμικών φορτίων, φορτίων δηλαδή, που παίρνουν ρεύμα διαφορετικής κυματομορφής από την τάση, άγουν δηλαδή ρεύμα μόνο σε ορισμένες περιοχές της τάσης. Τα προβλήματα που δημιουργούν οι αρμονικές είναι: α) μείωση του συντελεστή ισχύος με αποτέλεσμα αυξημένες απώλειες στα καλώδια, β) φαινόμενα συντονισμού με συνέπεια την καταστροφή πυκνωτών και μετασχηματιστών, γ) αρμονική παραμόρφωση τάσης η οποία οδηγεί σε αύξηση απωλειών σε κινητήρες, δ) παρεμβολές σε κυκλώματα ελέγχου και τηλεπικοινωνιών, ε) λανθασμένη λειτουργία συσκευών προστασίας, ζ) καταπόνηση ηλεκτρικών συσκευών. Όλα τα παραπάνω δημιουργούν υποβάθμιση της ποιότητας ισχύος. Και αν λάβουμε υπόψη την αυξανόμενη χρήση μη γραμμικών φορτίων τότε η βελτίωση της ποιότητας ισχύος είναι επιτακτική στην σημερινή εποχή.
Για την αντιμετώπιση των αρμονικών ρεύματος, χρησιμοποιούμε αρμονικά φίλτρα. Τα αρμονικά φίλτρα χωρίζονται σε τρείς κατηγορίες. Υπάρχουν τα παθητικά φίλτρα, τα ενεργά φίλτρα και τα υβριδικά φίλτρα. Τα παθητικά αρμονικά φίλτρα που αποτελούνται από πυκνωτές, επαγωγές και αντιστάσεις μπορούν να χωριστούν σε φίλτρα συντονισμού και σε υψιπερατά φίλτρα. Αυτά συνδέονται παράλληλα με τα μη γραμμικά φορτία. Τα ενεργά φίλτρα μπορούν να χωριστούν σε παράλληλα ενεργά φίλτρα και σε εν σειρά ενεργά φίλτρα ανάλογα με την κυκλωματική τους διαμόρφωση. Προς το παρόν, τα παράλληλα ενεργά φίλτρα είναι πιο ελκυστικά από τα εν σειρά ενεργά φίλτρα, όσον αφορά την μορφή και την λειτουργία τους. Το παράλληλο ενεργό φίλτρο μπορεί να ελεγχθεί με βάση τον παρακάτω τρόπο ελέγχου. Ο ελεγκτής παρατηρεί το στιγμιαίο ρεύμα του φορτίου. Αποσπά το αρμονικό ρεύμα από το υπό παρατήρηση ρεύμα του φορτίου δια μέσου της ψηφιακής επεξεργασίας του σήματος. Το ενεργό φίλτρο τροφοδοτεί το φορτίο με το αρμονικό ρεύμα που χρειάζεται για να λειτουργήσει σωστά, με συνέπεια να απαλλάσσεται η πηγή τροφοδοσίας από το αρμονικό ρεύμα. Διαφορετικά από το παράλληλο ενεργό φίλτρο, το εν σειρά ενεργό φίλτρο ελέγχεται με βάση τον παρακάτω τρόπο ελέγχου. Ο ελεγκτής παρατηρεί το στιγμιαίο ρεύμα τροφοδοσίας. Αποσπά το αρμονικό ρεύμα από το υπό παρακολούθηση ρεύμα τροφοδοσίας δια μέσου της ψηφιακής επεξεργασίας του σήματος. Το ενεργό φίλτρο εφαρμόζει μια τάση εξισορρόπησης ανάλογη του αρμονικού ρεύματος και αντίθετου πρόσημου επί του πρωτεύοντος του μετασχηματιστή που είναι συνδεδεμένος σε σειρά με την πηγή τροφοδοσίας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την σημαντική μείωση του αρμονικού ρεύματος τροφοδοσίας.
Τα υβριδικά φίλτρα είναι ένας συνδυασμός ενός παθητικού φίλτρου και ενός ενεργού φίλτρου. Μια υβριδική διάταξη που είναι πολύ δημοφιλής είναι η εν σειρά σύνδεση ενός ενεργού φίλτρου και ενός παθητικού φίλτρου. Γενικά, τα υβριδικά φίλτρα έχουν πλεονεκτήματα σε σχέση με τα ενεργά φίλτρα. Μερικά από αυτά είναι: α) εμφάνιση μικρότερης τάσης στον πυκνωτή του φίλτρου, β) χρησιμοποίηση μικρότερης τάσης IGBTs ως στοιχεία ισχύος, γ) μη εμφάνιση της δεσπόζουσας αρμονικής της τάσης στα άκρα του ενεργού φίλτρου, δ) μικρότερης έντασης διακοπτικές αιχμές, ε) καλύτερη εκτέλεση φιλτραρίσματος.
Στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία εξετάζεται ένα υβριδικό ενεργό φίλτρο μέσης τάσης που χρησιμοποιεί μετατροπέα τριών επιπέδων και συνδέεται απευθείας στο δίκτυο χωρίς να παρεμβάλλεται μετασχηματιστής. Η υπό μελέτη διάταξη αποτελείται από την πηγή τροφοδοσίας, η οποία είναι ονομαστικής τάσεως 4.16 KV (πολική τάση, rms τιμή) και συχνότητας 60 Hz. Επίσης η επαγωγή της πηγής τροφοδοσίας είναι Ls=0.15 mH. Το μη γραμμικό φορτίο της διάταξης μας είναι μια ανορθωτική διάταξη διόδων, όπου στην AC πλευρά της έχει τοποθετηθεί μία επαγωγή LAC για καλύτερη προστασία ρεύματος. Το υβριδικό ενεργό φίλτρο συνδέεται απευθείας στο φορτίο χωρίς την χρήση μετασχηματιστή υποβίβασης της τάσης. Αυτή η συγκεκριμένη υβριδική διάταξη αποτελείται από ένα παθητικό φίλτρο που είναι συντονισμένο στην έβδομη αρμονική συχνότητα και ένα ενεργό αρμονικό φίλτρο. Το ενεργό και παθητικό φίλτρο συνδέονται σε σειρά. Το ενεργό φίλτρο χρησιμοποιεί μετατροπέα τριών επιπέδων. Η προσομοίωση της συγκεκριμένης διάταξης γίνεται με το πρόγραμμα PSCAD. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι με την ενεργοποίηση του υβριδικού φίλτρου η κυματομορφή του ρεύματος τροφοδοσίας γίνεται σχεδόν ημιτονοειδής. Επίσης, βλέπουμε στο φάσμα με τις αρμονικές συχνότητες του ρεύματος τροφοδοσίας ότι είναι απαλλαγμένο από αρμονικές συχνότητες. Επομένως, η συγκεκριμένη διάταξη προσφέρει καλή εκτέλεση φιλτραρίσματος για εφαρμογές μέσης τάσης.
|
|---|
