Eficienţa energetică - caracteristică principală a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL SA (LII)

Eficienta Energetica

de Ion Potarniche

Eficienţa energetică - caracteristică principală a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL SA (LII)

În numărul anterior, am făcut o retrospectivă a soluţiilor dezvoltate de ICPE ACTEL în domeniul forajului marin, începând cu anii 1975 şi terminând cu soluţiile prezente. Am trecut în revistă soluţiile de antrenare a utilajelor tehnologice (troliu, pompe noroi, masă rotativă) pentru platformele GLORIA, ORIZONT, FORTUNA, PROMETEU, JUPITER, ATLAS SATURN, de tip WARD-LEONARD, convertoare ca/cc cu motoare de cc şi convertoare ca/ca cu motoare de ca. În final, am propus soluţii pentru viitor, toate având amprenta unei eficienţe energetice sporite.

1. Introducere

Revin în acest număr asupra unei prezentări anterioare cu câteva aspecte importante privind eficienţa energetică a produselor executate de ICPE ACTEL prin prisma atât a abordării măsurilor intrinseci privind proiectarea convertoarelor statice de putere, cât şi a măsurilor ce trebuie luate în integrarea acestora în soluţii cu eficienţă energetică maximă.

Convertoarele statice, indiferent de aplicaţie, reprezintă legătura dintre reţeaua de energie-sursă şi sarcină, transferul energetic urmărind atât procesul tehnologic pentru care este gândită aplicaţia, cât şi un randament maxim de transfer energetic între sursă şi sarcină.

În ceea ce priveşte al doilea aspect, din start se pot concluziona câteva subiecte de interes pentru ceea ce urmează să dezvoltăm în acest articol, şi anume:

  •  pentru sursă, convertoarele statice, în cele mai multe cazuri, reprezintă un receptor neliniar, alimentat dintr-o reţea sinusoidală care absoarbe un curent nesinusoidal puternic deformat, curent care reflectă în sursă un spectru de armonice poluant şi cu foarte multe consecinţe în ceea ce priveşte eficienţa energetică a transferului de putere dinspre sursă spre sarcină;
  •  pentru sarcină, convertorul static de putere este o sursă de tensiune, nu întotdeauna perfectă, pentru că în foarte multe situaţii tensiunea de la ieşirea acestuia este nesinusoidală, determinând un curent puternic nesinusoidal absorbit de sarcină, cu acelaşi tip de efecte energetice privind transferul de putere amintit.

Performanţele unui convertor static, dar şi ale unei aplicaţii folosind acest gen de produse sunt apreciate după următoarele criterii:

  •  calitatea energiei electrice vehiculate, absorbite şi furnizate;
  •  randamentul conversiei;
  •  comportarea acestuia în cazul unui scurtcircuit la ieşirea lui spre sarcină;
  •  factorul de putere global al transferului energetic.

Abordarea teoretică, dar şi practică a influenţei convertoarelor statice asupra reţelei de alimentare constă, în principiu, în determinarea spectrului de armonice al curenţilor absorbiţi în funcţionare de către acestea, valorile eficace şi ale defazajelor faţă de tensiunile sursei. Eforturile de determinare a acestor probleme trebuie completate de măsuri de compensare a acestor neajunsuri pentru a se obţine performanţele maxime în creşterea eficienţei energetice a proiectelor ce folosesc convertoare statice de putere.

2. Parametrii convertoarelor statice de putere

În cele ce urmează, voi exemplifica aspectele cantitative şi calitative amintite în capitolul 1, folosind pentru convertoarele statice cunoscutul redresor, cel mai cunoscut şi simplu convertor, dar şi cel care ne produce cele mai multe necazuri din punctul de vedere al eficienţei energetice.

2.1. Tensiunea la ieşirea redresorului

Forma tensiunii redresate depinde de schema de redresare şi de natura sarcinii.

Pentru o sarcină normală foarte des întâlnită şi un unghi de comandă α = 0, tensiunea în gol la ieşirea unui redresor este:

   (1),

Unde: Ūdo – valoarea medie a tensiunii redresate în gol; p – numărul de pulsuri al redresorului. Dezvoltând în serie Fourier expresia tensiunii de ieşire a redresorului, se obţine:

  (2)

Valoarea de vârf a armonicii de ordinul k este:

      

Din relaţiile de mai sus, se poate trage o primă concluzie şi anume că în ceea ce priveşte calitatea tensiunii redresate, aceasta este cu atât mai bună, cu cât numărul de pulsuri este mai mare. O a doua concluzie este legată de faptul că existenţa unei armonice de un anumit ordin este impusă de schema de redresare, valoarea de vârf fiind însă independentă de aceasta, depinzând numai de ordinul armonicii.

În cazul în care α ≠ 0, valoarea medie a tensiunii redresate este:

Ūdα= Ūdo cosα (5),

iar valoarea eficace:

(6).

În acest caz, se trag următoarele concluzii:

  • cu cât creşte α, calitatea tensiunii redresate scade;
  • cu cât p creşte, calitatea tensiunii redresate creşte. Cum niciun redresor nu funcţionează în mod normal în gol, rezultă ca singura concluzie şi măsura necesară în obţinerea unor performanţe energetice superioare este dată de utilizarea redresoarelor cu un număr sporit de pulsuri.

2.2. Puterile absorbite de redresor

Teoretic, pornind de la următoarele ipoteze:

  •   tensiunile de alimentare sunt sinusoidale;
  •  curenţii absorbiţi sunt nesinusoidali,

Relaţia care dă esenţa abordării specialiştilor în luarea de măsuri de eficientizare a soluţiilor cu utilizarea convertoarelor statice este:

(7)

Cele două componente din relaţia (7) Q şi D impun următoarele abordări:

  • reducerea puterii reactive absorbite de convertor prin măsuri adecvate;
  • reducerea reziduului deformat, rezultat al poluării armonice prin măsuri specifice.

Factorul de putere total al tandemului redresor- consumator este:

(8),

Unde:

- cos α – factorul de putere corespunzător fundamentalei.

Se constată că odată cu creşterea unghiului de comandă α, se modifică şi factorul de putere FP, datorită creşterii puterilor reactivă absorbită şi deformantă generată în reţea.

Sunt cunoscute multe scheme de redresoare comandate. Puntea trifazată total comandată permite obţinerea unei game largi de variaţie a tensiunii continue la ieşire, fiind simplă şi oferind cea mai bună utilizare pentru convertor, în comparaţie cu alte scheme de redresoare trifazate.

Principalele dezavantaje sunt însă legate de scăderea factorului de putere odată cu creşterea unghiului de comandă şi de o pronunţată deformare a curbei curentului absorbit din reţeaua de alimentare. Aceste neajunsuri trebuie compensate cu măsuri atât în proiectarea convertoarelor, cât şi în adăugarea de componente suplimentare pentru realizarea de soluţii competitive, pentru compensarea energiei reactive şi deformante.

3. Reducerea puterii reactive absorbite

Acest deziderat important pentru toţi cei ce se ocupă de domeniul eficienţei energetice se poate realiza individual prin metode specifice sau combinat şi în paralel cu reducerea regimului poluant de armonice. În cele ce urmează, voi prezenta câteva dintre aceste metode, fiecare dintre ele reprezentând un domeniu ce va fi explicitat in extenso în numerele viitoare.

3.1. Metoda utilizării unor convertoare serie/ paralel pentru aceeaşi sarcină

Dat fiind faptul că principalul motiv pentru absorţia puterii reactive din reţea este legat de valoarea unghiului de comandă α de deschidere a ventilelor convertorului, o metodă ar fi de înseriere a mai multor convertoare, comanda acestora făcându-se secvenţial, în funcţie de tensiunea de ieşire necesară sarcinii.

În figura 1, este prezentată schema electrică de principiu.

Pentru valori mici ale tensiunii Ud, folosirea unui singur convertor ar conduce la o absorbţie de putere reactivă importantă, lucru datorat unui unghi α, de comandă, de valoare mare. În situaţia în care se vor folosi mai multe convertoare în serie, tensiunea Ud va fi suma tensiunilor Udk, tensiuni obţinute prin valori mici ale unghiului de comandă.

3.2. Metoda compensării cu „filtre pasive”

O altă metodă des utilizată în astfel de aplicaţii este utilizarea unor echipamente specifice care înmagazinează energie capacitivă şi care o eliberează în situaţiile în care absorbţia de putere reactivă din reţea devine importantă.

Schema electrică de principiu este reprezentată în figura 2

În acest mod, între consumatorul de putere de energie reactivă, convertorul U1 şi sursa de energie reactivă U2, se va realiza o legătură funcţională pentru compensarea energiei reactive eliberate de reţea.

Toate metodele de reducere a puterii deformante ce vor fi prezentate în continuare au şi componenta reducerii puterii reactive.

4. Reducerea puterii deformante

Dincolo de aspectele tehnice legate de calitatea energiei vehiculate între furnizorul şi consumatorul de energie electrică, vehicularea energiei electrice reactive şi deformante are o consecinţă importantă asupra randamentului aplicaţiilor în care aceste forme de energie coexistă, pentru că prin căile de curent vehicularea lor produce şi pierderi de energie activă. De aceea, este foarte importantă cunoaşterea regimurilor de funcţionare a acestor aplicaţii, măsurarea celor două componente şi găsirea de metode de înlăturare a efectelor utilizării lor.

Dintre cele mai importante soluţii în acest domeniu, voi aminti câteva dintre metodele cel mai des utilizate.

4.1. Utilizarea filtrelor pasive

Pentru compensarea armonicelor, se utilizează filtre pasive de tip R, L, C atât pe partea de curent alternativ în circuitele de alimentare a convertoarelor, cât şi pe partea de curent alternativ / curent continuu la ieşirea acestora.

Filtrele legate pe partea de curent alternativ sunt, de obicei, filtre rezonante acordate pe principalele armonice ale curenţilor absorbiţi. Filtrul acordat pe o frecvenţă fk are un comportament inductiv pentru frecvenţele f>fk şi capacitiv pentru f<fk. Riscul apariţiei fenomenuluinde rezonanţă este de obicei pentru funcţionarea în regim capacitiv, aproape de frecvenţa fk, motiv pentru care la utilizarea acestor filtre este nevoie şi de măsuri de protecţie suplimentare şi de acordare a filtrului perfect pe prima armonică. De asemenea, el va fi conectat primul în circuit şi deconectat ultimul.

4.2. Compensarea armonicelor cu ajutorul filtrelor active

În comparaţie cu filtrele pasive convenţionale, filtrele active prezintă următoarele avantaje:

  •  performanţe dinamice ridicate;
  •  siguranţă în funcţionare şi dimensiuni reduse;
  •  funcţionarea nu este afectată de modificarea frecvenţei proprii de rezonanţă;
  •  acoperă un spectru larg de armonice.

Dezavantajul principal încă îl constituie preţul acestor filtre, care reprezintă 30-40% din valoarea aplicaţiei în care este utilizat.

Structura unui asemenea filtru cuprinde unul sau mai multe convertoare statice interconectate între reţeaua de alimentare şi un acumulator de energie tampon care, comandat, va determina ca energia stocată să intervină dinamic în reconstituirea sinusoidală a curentului absorbit.

Schema electrică de principiu a unui filtru activ este prezentată în figura 3.

4.3. Compensarea armonicelor şi a puterii reactive folosind convertoare speciale

În ultimul timp, preocuparea specialiştilor în găsirea de metode de minimizare a efectelor armonicelor şi a puterii reactive în aplicaţiile folosind convertoare statice de putere s-a materializat în construcţii de convertoare speciale, cum ar fi :

  •  redresoarele comandate simetric;
  •  redresoarele comandate nesimetric;
  •  redresoare cu funcţia de reducere a puterii deformante generate în reţea.

Toate aceste construcţii conţin paleative în structura de comandă a ventilelor, paleative datorate progreselor făcute în domeniul microcontrolerelor, microprocesoarelor şi tranzistoarelor de putere.

5. Concluzii

Prin prisma eficienţei energetice a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL, soluţiile în care sunt implicate convertoarele statice de putere sunt în prim-planul atenţiei specialiştilor noştri.

În acest sens, dincolo de ativităţile privind dezvoltarea acţionărilor electrice de mare putere în cadrul societăţii ICPE ACTEL, s-au dezvoltat în ultimul timp şi produsele „de completare” pentru asigurarea unei eficienţe energetice maxime a soluţiilor proprii şi de a asigura atât furnizorii de energie, cât şi consumatorii (clienţii) de o atenţie sporită acordată calităţii energiei electrice vehiculate între sursă şi sarcină, cu implicaţii directe asupra sistemului naţional energetic, dar şi cu minimizarea cheltuielilor la client, în ceea ce priveşte energia electrică.


Ion Potarniche

Conf. dr. ing. Ion POTÂRNICHE, Director General al ICPE ACTEL din 1994, peste 38 de ani de activitate de cercetare aplicativă în cadrul ICPE

  • Autor al: 12 invenţii brevetate, 76 lucrări publicate în reviste de specialitate, 60 lucrări practice elaborate, 119 lucrări publicate în sesiuni de comunicări ştiinţifice, 5 cărţi publicate.
  • Experienţă în managementul proiectelor de cercetare naţională, coordonator al 19 contracte de cercetare aplicativă din cadrul PNCDI
  • Membru al: Consiliului Inovării - AMCSIT, CT 36-Electronica de Putere al Comitetului Electrotehnic Român, AGIR, Patronatelor din Energetică
  • Membru de onoare al CNR-CME
  • Vicepreşedinte al APREL
  • Vicepreşedinte al A.P. ENERGIA
  • Consultant ştiinţific al Federaţiei Patronale din Construcţii de Maşini
  • Activitate didactică la U.P.B. şi Universitatea Valahia
  • Membru al ASTR

Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.