Regimuri nesinusoidale în rețele electrice

1. Regimul deformant

Regimul deformant este regimul permanent de funcţionare a reţelelor electroenergetice de curent alternativ, în care undele de tensiune şi de curent sunt periodice şi cel puţin una din ele nu este sinusoidală. Curbele nesinusoidale de tensiune şi curent conţin, pe lângă oscilaţia fundamentală cu frecvenţa f1 (de exemplu, 50 Hz), o serie de oscilaţii parazite cu frecvenţa :

, (N = 2, 3, 4, 5…)

1.1

Acestea sunt denumite armonice superioare, iar oscilaţiile cu frecvenţe inferioare valorii f1 sunt denumite subarmonice.

Regimul deformant este produs în sistemul energetic de elementele deformante, ulterior el fiind propagat şi amplificat prin reţelele electrice de transport şi distribuţie. Elementele deformante sunt echipamente care produc sau amplifică tensiuni şi curenţi armonici şi pot fi de două categorii :

- elemente deformante de categoria I, care alimentate cu tensiuni sau curenţi riguros sinusoidali produc fenomene deformante (de exemplu: cuptoare cu arc, redresoare de putere şi, în general, orice element de circuit cu caracteristică pronunţat neliniară);

- elemente deformante de categoria a II-a, care nu dau naştere la regim deformant, dar care alimentate cu curenţi deformanţi amplifică această deformaţie (de exemplu, linii electrice, în condiţiile în care inductanţele şi capacităţile lor proprii alcatuiesc circuite oscilante, a căror frecvenţă poate coincide cu frecvenţele curenţilor armonici produşi de elementele deformante de categoria I ).

Sursele de regim deformant mai pot fi clasificate în:

- surse de tensiuni armonice;

- surse de curenţi armonici.

Sursele de curenţi armonici sunt acele elemente deformante care, în regim sinusoidal de tensiune, introduc armonice superioare în curentul absorbit din reţea. Impedanţa echivalentă a reţelei la locul de racord al sursei exercită o influenţă destul de slabă, dar care uneori trebuie luată în considerare.

Valorile tensiunilor armonice, rezultate în aceste puncte de racord, sunt proporţionale cu intensităţile curenţilor armonici generaţi şi cu impedanţele echivalente ale reţelei, pe armonicele N corespunzătoare:

1.2

în care : UN este armonica de ordinul N a tensiunii; IN - armonica de ordinul N a curentului; ZN - impedanţa echivalentă a reţelei, pentru armonica de ordinul N.

În general, se poate face aproximaţia :

1.3

unde : XN este reactanţa reţelei pentru armonica de ordinul N; X1 - reactanţa reţelei pentru frecvenţa fundamentală.

Sursele de tensiuni armonice sunt surse care produc tensiuni electromotoare nesinusoidale. Întrucât reactanţa surselor de tensiune (pe fiecare armonică în parte) este comparabilă ca valoare cu reactanţa echivalentă a reţelei în punctul comun de racord, aceste surse generează curenţi nesinusoidali cu valori puternic dependente de caracteristicile reţelei. La sursele de tensiuni armonice, din motive constructive (simetria maşinilor electrice), undele tensiunilor şi curenţilor sunt alternativ simetrice şi deci nu conţin decât armonice impare; aceste surse pot cauza uneori oscilaţii subarmonice. Armonicele de ordin par pot fi generate îndeosebi de sursele de curenţi armonici; în condiţii obişnuite, ele deţin o pondere scăzută în raport cu celelalte armonice din reţea.

Condiţionarea reciprocă între armonicele de curent şi cele de tensiune este puternic influenţată de reactanţele şi configuraţia reţelei (conexiunile transformatoarelor şi maşinilor rotative, bobine, baterii de condensatoare etc.), precum şi de fenomenele de rezonanţă şi ferorezonanţă care se pot manifesta în anumite situaţii.

Perturbaţiile armonice pot apărea în diferite puncte ale reţelei mult îndepărtate de sursa deformantă, din cauza disproporţiei relative a impedanţelor pe care se închid aceşti curenţi. Zona de propagare a armonicelor superioare este cu atât mai extinsă cu cât tensiunea de lucru la bara de racord a sursei deformante este mai ridicată. În zonele din reţea în care sursele de curenţi armonici predomină asupra surselor de tensiuni armonice, inductanţele circuitelor conduc la amplificarea armonicelor de tensiune; în schimb, în zonele de reţea în care predomină sursele de tensiuni armonice asupra celor de curenţi armonici, capacităţiile au un rol de amplificare a armonicelor de curent.

Elementele liniare ale reţelei ( R , L şi C = ct), nu convertesc frecvenţele tensiunilor şi curenţilor armonici, ci realizează amplificarea sau atenuarea lor. Elementele neliniare sunt răspunzătoare şi de conversia frecvenţelor.

Prin urmare, tensiunile armonice, provenind de la sursele de tensiuni nesinusoidale şi aplicate reţelei în diferite puncte, dau naştere curenţiilor armonici de ordin corespunzător sau diferit, amplificaţi ori atenuaţi de către elementele neliniare ale circuitelor şi de către cele reactive ( L, C ). Curenţii armonici, generaţi de sursele de curenţi nesinusoidali, se vor închide pe circuitele reţelei şi vor conduce la o deformare corespunzătoare a tensiunii, în funcţie de valorile impedanţelor echivalente ale reţelei (în punctele de injecţie respective); din acest motiv, spectrul tensiunii în aceste puncte are calitativ aceeaşi variaţie ca şi spectrul curentului nesinusoidal injectat de sursa deformantă.

Echipamentele furnizorilor de energie electrică (în special alternatoarele şi transformatoarele) nu pot produce, prin construcţia lor, o undă sinusoidală pură, ci doar una practic sinusoidală. Conform STAS 1893, prin tensiune alternativă practic sinusoidală se înţelege acea tensiune alternativă la care nici una din valorile instantanee nu diferă faţă de valoarea instantanee a undei fundamentale cu mai mult de 5% din amplitudinea acesteia din urmă; în mod analog, prin curent alternativ practic sinusoidal, se înţelege acel curent alternativ la care nici una din valorile instantanee nu diferă faţă de valoarea instantanee a undei fundamentale cu mai mult de 5% din amplitudinea acesteia din urmă. Uneori, o funcţionare dezechilibrată a maşinilor sincrone poate provoca armonice multiplu de 3.

În trecut, armonicele multiplu de trei (de nivel relativ coborât), care apăreau în reţelele furnizorilor de energie, se compensau eficient prin folosirea conexiunii în triunghi a transformatoarelor. Astăzi preocuparea pentru armonice a sporit din trei motive principale :

- pătrunderea pe scară foarte largă în reţelele electrice a unor sarcini neliniare, în special a convertizoarelor statice de putere;

- creşterea probabilităţii de rezonanţă în reţele, din cauza creşterii numărului de condensatoare pentru îmbunătăţirea factorului de putere;

- creşterea sensibilităţii la armonice a echipamentelor din sistemul energetic şi a sarcinilor la consumatori.

În general, curenţii armonici sunt produşi într-o mai mică măsură de către echipamentele de producere, transport şi distribuţie a energiei electrice. Ponderea principală revine consumatorilor casnici şi industriali, care contribuie, în cea mai mare măsură, la producerea regimului deformant; în acest sens, consumatorii casnici, deşi de putere mai redusă decât cei industriali, pot reprezenta o sursă importantă de distorsiuni armonice, deoarece se pot utiliza simultan un număr mare de aparate, pe perioade lungi de timp. Consumatorul casnic mediu, care utilizează din ce în ce mai multe echipamente electronice neliniare (receptoare TV, lămpi fluorescente, cuptoare cu microunde, calculatoare, variatoare de lumină etc.) contribuie la poluarea cu armonice a reţelei de alimentare cu energie electrică, în special din cauza punţilor redresoare, care intră în componenţa sarcinilor electronice.

Printre sarcinile industriale, care pot fi surse importante de distorsiuni armonice, se numără convertizoarele de putere, cuptoarele de inducţie, cele cu arc etc. În tabelul 1.1 este prezentat un rezumat privind caracterul deformant al unor categorii de receptoare electrice casnice şi industriale, pe baza căruia putem trage, în principal, următoarele concluzii :

- aparatele care produc poluare armonică sunt circuitele de alimentare ale receptoarelor TV, constituite din sisteme de redresare şi ale căror elemente de filtrare pe partea de curent continuu sunt reduse adesea la o simplă capacitate;

- aparate - denumite eufemistic "normal" poluante - sunt sisteme de redresare, care se caracterizează printr-o undă de curent mai mult sau mai puţin asemănătoare cu o undă dreptunghiulară;

- aparatele cele mai puţin poluante sunt echipamentele cu caracteristica de curent-tensiune neliniară, care folosesc elemente redresoare.