25 iul. 2017

COMPENSAREA ENERGIEI REACTIVE ÎN INSTALAȚIILE DE TRACȚIUNE ELECTRICĂ FEROVIARĂ



Ca parte a sistemului de tracțiune, substațiile de tracțiune electrică de c.a. bifazat de frecvenţă industrială 50 Hz, sunt alimentate direct din sistemul electroenergetic național. Substațiile de tracțiune sunt echipate cu transformatoare electrice bifazate (coborâtoare de tensiune) conectate între două faze ale sistemului electroenergetic trifazat de alimentare. 

Sistemul de tracțiune în c.a. bifazat de frecvenţă industrială, este un consumator dezechilibrat și datorită locomotivelor electrice (echipate cu redresoare statice de putere) un consumator deformant,  provoacând un regim permanent nesimetric şi nesinusoidal de tensiuni şi curenţi cu efecte energetice defavorabile. Pentru estimarea acestor efecte se vor avea în vedere circulaţiile puterilor active şi reactive pe fiecare secvenţă a componentelor simetrice şi pe fiecare armonică în parte. Acest receptor bifazat şi deformant de tracţiune electrică absoarbe din sistemul electroenergetic putere activă şi reactivă numai pe secvenţa directă a armonicei fundamentale, consumă o parte din puterea primită, iar diferenţa o desimetrizează, o degradează şi o retrimite în sistem ca putere activă şi reactivă pe secvenţa inversă şi homopolară a armonicei fundamentale, respectiv pe toate secvenţele armonicelor superioare. 
Factorul de putere global al receptorului bifazat şi deformant de tracţiune electrică pune în evidenţă efectele energetice negative ale consumurilor de energie datorate circulaţiilor separate ale puterilor active, simetrică (pe secvenţa directă a fundamentalei), nesimetrică (pe secvenţa inversă şi homopolară a fundamentalei), respectiv reziduală (pe toate secvenţele armonicelor superioare).
Pentru compensarea factorului de putere, se pot utiliza una din următoarele metode:
- compensarea puterii reactive pe secvenţa directă a armonicei fundamentale; 
- echilibrarea sarcinii monofazate de tracţiune electrică pentru armonica fundamentală;
- filtrarea armonicelor superioare; 

               Echilibrarea sarcinii bifazate de tracţiune electrică pentru armonica fundamentală:
- echilibrarea prin  schimbarea ciclică succesivă a modului de racordare al substației de tracțiune electrică de c.a. bifazate adiacente la diferite faze ale sistemului electroenergetic trifazat;
- echilibrarea prin înlocuirea în substația de tracțiune de c.a. a transformatorului de putere bifazat fie cu două transformatoare de putere bifazate conectate, uzual, în V/V . Prin utilizarea acestei metode se impune secţionarea Liniei de Contact în dreptul substației de tracțiune printr-o zonă neutră iar echilibrarea realizată este parţială şi depinde de încărcarea relativă a celor două înfăşurări secundare de transformator de putere. Metoda utilizează transformatoare de putere mono, respectiv trifazate, din seria curentă şi permit funcţionarea în paralel a substațiilor de tracțiune învecinate; metoda cu transformator de putere trifazat prezintă dezavantajul supradimensionării cu peste 20% a transformatorului, impusă de încărcarea pe două faze şi de existenţa curenţilor de circulaţie între substațiile de tracțiune adiacente;
- echilibrarea prin utilizarea unor grupuri de bobine de reactanţă şi baterii de condensatoare, conectate în circuitele înfăşurărilor secundare ale transformatoarelor de putere
Metodele de echilibrare ale sarcinii bifazate de tracţiune electrică  pot fi combinate. O soluție utilizată în tracțiunea electrică feroviară din țara noastră constă în instalarea unui grup de 2-3 substații de tracțiune adiacente de c.a. bifazat, având transformatoare de putere bifazate legate simplu la aceleaşi două faze ale sistemului electroenergetic, după care se instalează o   substație de tracțiune electrică cu transformatoare de putere bifazate conectate permanent în V/V, care modifică perechea fazelor de racordare la sistemul electroenergetic pentru următorul grup de 2-3 substații de tracțiune adiacente cu transformatoare monofazate legate simplu ş.a.m.d.




25 mai 2017

19 feb. 2017

COMPENSAREA ENERGIEI REACTIVE LA MOTOR/GENERATOR ASINCRON




În cazul microhidrocentralelor sau a centralelor eoliene motorul asincron este utilizat ca generator. El lucreaza ca motor (la pornire, sau cand viteza vantului este sub o anumita limita) si ca generator. Am numit acest mod de functionare "sistem de cogenerare", adica masina poate functiona in cele doua regimuri: de consumator si de generator. In regim de generator maşina asincronă transformară energia mecanica pe care o primeşte în rotor, de la apa sau vânt, în energie electrică.
Considerăm un motor asincron conectat la o reţea electrică trifazată şi printr-un procedeu oarecare (apă sau vânt) obligăm maşina să se rotească cu o viteză, n2¬ mai mare decât viteza de sincronism n1, (n2> n1). În acest caz alunecare s devine negativă. Asupra rotorului se exercită un cuplu M negativ (n1–n2)<0, iar unghiul (E2,I2) este mai mic de 90 grade.


M =[3E2I2cos(E2,I2)]/(n1–n2)<0, deoarece (n1–n2)<0

În acest regim, maşina asincronă absoarbe de la rotorul de antrenare o putere mecanică

PM = Mn2 = P2 + Pmec + PFe2

Cuplul fiind negativ rezultă şi puterea mecanică negativă, adică maşina absoarbe putere mecanică pe la arbore.
Puterea mecanică acoperă:
- pierderile mecanice de frecări Pmec,
- pierderile în fier din rotor PFe2
- pierderile electrice P2 din înfăşurările rotorului.
Puterea electrică P2 acoperă:
o pierderile în infăşurările rotorice prin căldură, PCu2
o puterea P care se trasmite statorului prin intermediul câmpului electromagnetic şi care o parte se pierde îm înfăşurările statorului, PCu1 iar o parte se transmite reţelei trifazate la care este conectată înfăşurarea statorică

P = 2U1I1 cos(FI)1 < 0, rezultă (FI)1 > (PI)/2

Prin urmare maşina asincronă absoarbe de la reţea o puterea reactivă necesară producerii câmpului magnetic învârtitor. Această putere furnizează curentul de magnetizare, care reprezintă (25…50)% din curentul nominal.
In figura de mai jos este reprezentat bilanţul energetic al generatorului asincron prin diagrama Sankey.



Fig. 1. Bilanţul energetic al maşinii asincrone funcţionând în regim de
generator aincron

Puterea reactivă poate fi furnizată maşinii asincrone de reteaua trifazată sau de o baterie de condensatoare aleasă corespunzător pentru a asigura autoexcitarea generatorului. Pe lângă aceste condensatoare necesare producerii energiei reactive pentru funcţionarea generatorulu asincron este necesar dimensionarea unei baterii de condensatoare automate care să compenseze energia reactivă inductivă.
Controlul energiei reactive în cazul microhidrocentralelor sau a centralelor eoliene care folosesc ca generator motorul asincron este foarte important atât pentru scăderea pierderilor de putere cât şi pentru menţinerea variaţiei căderilor de tensiune la valori foarte mici. Controlul puterii reactive poate fi realizat prin sisteme clasice Automati Power Factory Corrector (APFC) sau sistem moderne folosind electronică de putere, numite Flexible Alternating Current Transmision Systems (FACTS).
Puterea reactivă consumată sau produsă de generatorul asincron (folosit la microhidrocentrale sau la centralele eoliene) variază cu încărcarea acestuia. De exemplu pentru o centrală eoliană se pot evidenţia următoarele regimuri de funcţionare, determinate de viteza vântului:
- generator oprit, viteza vântului este mai mică decât viteza de pornire
- generator în sarcină parţială când viteza vântului este situată între
viteza de pornire şi viteza nominală
- generator în sarcină plină, când viteza vântului este cuprinsă între viteza nominală şi viteza vântului la care instalaţia este scoasă din funcţiune.
Schema cea mai simplă a generatorului asincron conectat la reţeaua trifazată este prezentată în figura de mai jos:


Fig. 2. Schema de forta monofilara a generatorului asincron conectat la o retea trifaztă
Legendă:
T – transformator
a – întreruptor general
e – siguranţe de protecţie
Kwh – contor energie electrică
TC – transformator de current
APFC – automatic power factor controllers
C – condensatoare pentru autoexcitatea generatorului
C1 – Contactor cuplare condensatoare C
I – Softstarter
C2 – Contactor pentru by-pass
GA – Generator asincron

Maşina porneşte în regim de motor iar la atingerea vitezei 2 trece în regim de generator. Condensatoarele C au rolul de a furniza puterea reactivă necesară autoexcitării. Ele sunt fixe şi sunt dimensionate pentru regimul nominal. Softstarterul I asigură pornirea uşoară a maşinii iar după pornire este by-passat de contactul C2.
Sensul de circulaţie a puterii reactive cât şi mărimea depind de sarcina maşinii cât şi de regimul de funcţionare (motor sau generator). Se poate spune că maşina asincronă funcţionează în regim de co-generare. Aşadar prin transformatorul, TC, fluxul circulă în ambele sensuri.
Pentru controlul circulaţiei puterii reactive, schema este prevăzută cu o baterie de condensatoare în trepte, complet automatizată de controlerul APFC şi contactoarele de energie reactivă, montată pe linia (barele) de distribuţie. Controlerul se conectează la transformatorul de curent (montat pe una din fazele reţelei trifazate) şi la celelalte două faze (pentru măsurarea tensiunilor).
În regim de co-generare controlerele trebuie să:
- funcţioneze în toate cele patru cadrane (sistemul consumă energie – cos (FI) pozitiv sau produce energie – cos (FI) negativ).
- poată fi setat pentru un anumit sens de circulaţie al curentului prin reductorul de curent (sens direct sau sens invers).





Pe lângă controlul circulaţiei puterii reactive trebuie acordată o atenţie deosebită controlului calităţii energiei electrice. Centralele eoliene sau microhidrocentralele pot sa funcţioneze ca:
- surse de generare distribuită (adică energia produsă este consumată local iar cea care este în plus poate fi transferată unei reţele electrice)
- surse de generare centralizată
Indiferent de sistemul de de generare, atunci când o sursă de energie produce, trebuie analizate unele aspecte tehnice cum ar fi:profilul tensiunii, circulaţia de putere reactivă şi posibilitatea de control a tensiunii, solicitările reţelei, pierderile de energie, emisia de armonici şi interarmonici, nesimetria, etc. Fiecare din aceste probleme tehnice constitue cerinţe referitoare la capabilitatea centralelor electrice (eoliene sau microhidrocentralelor) de a produce energie electrică. Aceste cerinţe diferă dela ţară la ţară şi sunt impuse prin normative şi directive.