Kvalitet EE & Harmonici

1HARMONICI

dr. sc. Tatjana Konji, vanredni profesorUniverzitet u Tuzli, Fakultete elektrotehnike

2Dio materijala koritenog u ovom predavanju djelimino je baziran na matrijalima sa predavanja:

Power Quality - Harmonics, Dr J. V. Milanovi Dipl.Ing., M.Sc., Ph.D., SMIEEE, CEng, MIEE, University of Manchester, 1999-2005

i seminara:

Power Quality: What is it and should we be worried about it?Dr J. V. Milanovi Dipl.Ing., M.Sc., Ph.D., SMIEEE, CEng, MIEE 10. 01. 2005., University of Tuzla, Bosnia & Herzegovina 11. 01. 2005., University of Novi Sad, Serbia & Montenegro 22. 03. 2005., University of Skopje, Macedonia

School of Electrical & Electronic Engineering

3Preporuena literatura: R.C.Dugan, M.F.McGranaghan, S.Santoso, H.W.Beaty,

Electric power systems quality, MCGrawHill, 2002

G.J.Wakileh, Power Systems Harmonics - Fundamentals, Analysis and Filter Design, Springer, 2001

V.Kati, Kvalitet elektrine energije vii harmonicimonografija, Univerzitet u Novom Sadu, Fakultet TehnikihNauka, Edicija Tehnike Nauke - Monografije, Novi Sad, 2002.

V.Kati, A.Toko, T. Konji, Kvalitet elektrine energije,Tempus CD_JEP-18126-2003, Novi sad, Juni, 2007

4Sadraj

Uvod, pojmovi i definicije

Podjela harmonika

Izvori viih harmonika

Negativni efekti harmonika

5Definition of harmonics

Sinusoidal component of a periodic waveform having a frequency that is an integer multiple of a fundamental frequency (fn=50Hz or fn=60Hz).

fh=h*fn , h=1,2,3, ...

6Definition of harmonics

7Causes of harmonic Some load equipment does not draw a

sinusoidal current from a perfectly sinusoidal voltage source!

The relationship between voltage and current at every instant of time is not constant, i.e., the load is non-linear.

Harmonic currents flowing through the system impedance results in harmonic voltages at the load.

8The effect of nonlinear loads!

Harmonics are due to periodic distortion of the voltage or current waveform.

The distortion comes from nonlinear devices, principally loads.

9Representation of nonlinear loads

A nonlinear load can be represented as a source of harmonic currents:

10

Vh(f=fh)=Ih Zh(f=fh)

Harmonic distorsion Low order harmonics

Harmonic distorsion High order harmonics

14

Importance of harmonicsExpectation Fundamental objective of electric utility is to supply

each electric load with a fairly constant voltage (e.g.,50Hz, 220 V).

Load equipment designed to operate from asinusoidal voltage source

Reality Application of non-linear loads creates distortions

Additional operation costs Potentially harmful for utility equipment Potentially harmful for end-consumer equipment

15

Podjela harmonika

16

Harmonici h-tog ranga (h=1,2,3, ...) za napone po fazama (a, b, c):

tjhhah eVV

=

= 32tjh

hbh eVV

= 34tjh

hch eVV

Podjela harmonika prema sistemu koji stvaraju - 1

17

h=1 h=2

tj11a eVV

=

= 32tj

11b eVV

= 34tj

11c eVV

t2j22a eVV

=

= 34t2j

22b eVV

= 32t2j

22c eVV

h=3t3j

33a eVV=

t3j33b eVV

=t3j

33c eVV=

Direktan trofazni sistemInverzan trofazni sistem

Nulti trofazni sistem

18

Direktan trofazni sistem ine harmonici

h=3n+1, n=0,1,2,...

Inverzan trofazni sistem ine harmonici

h=3n-1, n=0,1,2,...

Nulti trofazni sistem ine harmonici

h=3n, n=0,1,2,...

Rang harmonika - h

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ...

Trofazni sistem d i 0 d i 0 d i 0 d ...

19

Harmonici struje koji formiraju direktan sistemuzrokovati e odgovarajue padove napona na direktnim impedansama grana u mrei (analogno je i za inverzni i nulti sistem).

Ako je impedansa grane za osnovni harmonik:

Za N-ti harmonika impedansa iste grane e biti:

pod pretpostavkom da je grana linearna.

LjRZ1 +=

LhjRZh +=

20

Podjela harmonika prema parnosti - 2

Parni harmonici (h paran broj) mogu nastati samo uslijed takve smetnje u mrei koja se

ne ispoljava podjednako u obje poluperiode osnovnog talasa

rijetko se javljaju

rijetko se razmatraju

izazivaju tee posljedice

21

Podjela harmonika prema parnosti - 2

Harmonici djeljivi sa 3 (h broj djeljiv sa 3) tvore nulti sistem

nastaju prilikom magnetiziranja zasienih eljeznih jezgri

najvie izraen trei harmonik

Preostali harmonici tvore direktan ili inverzan sistem

najee se tretiraju

22

Podjela harmonika prema frekventnom opsegu - 3

Subharmonici (podharmonici)

Niskofrekventni harmonici

Interharmonici (meuharmonici asinhroni harmonici)

Visokofrekventni harmonici

23

Subharmonici (podharmonici)

f < 50Hz

Generiu ih prekidai naizmjenine struja i elektrolune pei

Uticaj se ogleda u treperenju svjetlosti (fliker)

Predstavljaju ozbiljan problem u mrei

24

Niskofrekventni harmonici fn = n50 Hz, n=1,2,3,..., najee n

25

Interharmonici fn n50 Hz, n=1,2,3,...,, ali fn < 10kHz

Vezani za rad elektromotornih pogona sa regulacijom brzine pomou pretvarakog sklopa ispravlja-invertor ili ciklokonvertora

Nekarakteristini harmonici

Na njih su osjetljiva elektronska regulaciono-upravljaka kola, sistemi za ton frekventnu komandu i telemetriju, koji koriste energetske vodove za prenos signala

26

Visokofrekventni harmonici fn > 10kHz

esto se tretiraju kao radiofrekventne smetnje

Posljedica su komutacionih tranzijenata u samim elektronskim ventilima, tj. energetskim prekidakim komponentama

Negativan uticaj na: telekomunikacione signale, rad mikro elektronskih kola u raunarskim sistemima

27

Izvori viih harmonika

28

Elektronski energetski pretvarai - 1 Ispravljai pretvarai naizmjenine struje u jednosmjernu Invertori - pretvarai jednosmjere struje u naizmjeninu operi - pretvarai jednosmjere struje u jednosmjernu (vezani

za mreu preko ispravljaa)

Regulatori naizmjeninog napona

Prenosna funkcija pretvaraa je nelinearna

MREA POTROA(el. mot. pogon)

ENERGETSKIELEKTRONSKIPRETVARAI

Nelinearni potroaIzvor sa harmonicima

Harmon. Harmon.

29

Elektrine maine - 2 Transformatori Rotirajue elektrine maine

sinhroni generatori asinhroni motori

Vii harmonici nastaju uslijed rada ili odlaska radne take u nelinearni dio BH karakteristike

Struja magneenja transformatora ukljuujui i uticaj histereze

30

Elektrine pei - 3 Elektrootporne pei Indukcione pei Elektrolune pei znaajan izvor viih harmonika, kolebanja

napona (flikera)

Osvjetljenje - 4 Sijalice koje rade na bazi pranjenja u gasovima

fluoroscentne sijalice naroito izraeni harmonici djeljivi sa 3 dominantan trei harmonik

31

Industrija - 5 Elektroliza Livnice Valjaonice Fabrike tekstilne industrije Fabrike papira eljezare, itd.

Domainstva i poslovne zgrade 6 Viespratnice istovremeno djelovanje velikog broja ureaja

(TV aparati, video-rekorderi, audio ureaji, mikrovalne penice, i sl.)

Poslovne zgrade administrativne, komercijalne i uslune ustanove (raunari, tampai, fluoroscentna rasvjeta, i sl.)

32

Izvori viih harmonika

h

33

Izvori viih harmonika

34

Negativni efekti harmonika

35

Kvarovi na kondenzatorskim baterijama bre starenje dielektrika, njegov proboj, preoptereenje reaktivnom snagom

Interferencija i ometanje signala ton frekventne komande, telemetrije, prenosa informacija koji za medij koriste energetske vodove

Poveani gubici (smanje korisne instalisane snage)

elektrinih maina (generatora, transformatora, motora) Gubici u vodiima (Joulova toplota)

Gubici u eljezu

kablova i vodova Gubici u vodiima (Joulova toplota)

Gubici u dielektriku i vanjskim metalnim oblogama

36

Prenaponi i prekomjerne struje kao posljedica rezonancije u sistemu uzrokovane harmonicima napona i struje

Proboj dielektrika izolovanih kablova zbog harmonijskih prenapona

Interferencija sa telekomunikacionim sistemima (najee telefonskim)

Interferencija sa mikroprocesorski kontrolisanim sistemima (reunari)

Greke u pokazivanju indukcionih brojila za mjerenje potronje elektrine energije

Mehanike oscilacije asinhronih i sinhronih maina

Greke u radu regulacionih kola baziranih na detekciji prolaska napona kroz nulu, itd.

HARMONICIDio materijala koritenog u ovom predavanju djelimino je baziran na matrijalima sa predavanja: Power Quality - Harmonics, Dr J. V. Milanovi Dipl.Ing., M.Sc., Ph.D., SMIEEE, CEng, MIEE, University of Manchester, 1999-2005 i seminara:Power Quality: What is it and should we be worried about it? Dr J. V. Milanovi Dipl.Ing., M.Sc., Ph.D., SMIEEE, CEng, MIEE 10. 01. 2005., University of Tuzla, Bosnia & Herzegovina 11. 01. 2005., University of Novi Sad, Serbia & Montenegro 22. 03. 2005., University of Skopje, MacedoniaPreporuena literatura:SadrajDefinition of harmonicsDefinition of harmonicsCauses of harmonicThe effect of nonlinear loads! Representation of nonlinear loads Slide Number 10Slide Number 11Harmonic distorsion Low order harmonicsHarmonic distorsion High order harmonicsImportance of harmonicsPodjela harmonikaSlide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Slide Number 19Slide Number 20Slide Number 21Slide Number 22Subharmonici (podharmonici) Niskofrekventni harmonici Interharmonici Visokofrekventni harmoniciIzvori viih harmonikaSlide Number 28Slide Number 29Slide Number 30Slide Number 31Slide Number 32Slide Number 33Negativni efekti harmonikaSlide Number 35Slide Number 36