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配電工程 （十一）

配電工程 （十一）. 電力品質－諧波改善. 主講人：王廷興　博士 台北科技大學冷凍空調系 副教授 消防設備師，電機技師，建管甲級技術士，合格仲裁人，升降梯檢查員. 內 容. 1. 功因改善與電容器. 2. 諧波是什麼 ?. 3. 諧波與電容器的關係 ?. 4. 如何避免諧波影響 ?. 5. 如何消除諧波 ?. 功率因數改善. S. Q. θ. P. Target PF = 0.95. 應用公式. P = S × cosθ (kw) Q = S × Sinθ (kvar) S = √P 2 + Q 2 (kva).

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配電工程 （十一）

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Presentation Transcript

  1. 配電工程（十一） 電力品質－諧波改善 主講人：王廷興　博士 台北科技大學冷凍空調系 副教授 消防設備師，電機技師，建管甲級技術士，合格仲裁人，升降梯檢查員

  2. 內 容 1. 功因改善與電容器 2. 諧波是什麼 ? 3. 諧波與電容器的關係 ? 4. 如何避免諧波影響 ? 5. 如何消除諧波 ?

  3. 功率因數改善 S Q θ P Target PF = 0.95 應用公式 • P = S × cosθ (kw) • Q = S × Sinθ (kvar) • S = √P2 + Q2 (kva) M 1000Kw QC = ? PF = 0.8

  4. S QC Q1 θ1 Q2 θ2 P P= 1000kw cosθ1 = 0.8 S1 = 1000 / 0.8 = 1250kva Q1 = 1250 × Sin(cos θ1) = 750 kvar P= 1000kw cosθ2 = 0.95 S2 = 1000 / 0.95 = 1052kva Q2 = 1052 × Sin(cos θ2) = 328 kvar -1 -1 功率因數改善 改善後 改善前 ∴ Qc = Q1－Q2 = 750 －328 =422kvar • 變壓器容量需求降低 • 原變壓器有裕度供給其他負載使用

  5. 無功電流 有功電流 LOAD

  6. 有功電流 無功電流 LOAD

  7. 裝設電容器的優點 1. 提高系統網路功率因數 2. 降低系統網路運轉電流 3. 降低導線及變壓器損失 4. 增加變壓器使用裕度 5. 提高系統網路電壓

  8. 裝設電容器注意事項 • 突入電流(Inrush current) • 諧波電流 • 過電流 • 串聯共振 • 並聯共振 • 額定電壓 • Detuned filter • Harmonic filter

  9. 突入電流 A.第一段電容器投入 L0 U = 系統電壓(rms) LO = 系統電抗 L1,L2…Ln = 引線電抗 C1,C2..Cn = 段數電容器 IPK =突入電流 L1 C1

  10. 突入電流 B.第二段電容器投入 L0 U = 系統電壓(rms) LO = 系統電抗 L1,L2…Ln = 引線電抗 C1,C2…Cn = 段數電容器 IPK= 突入電流 L2 L1 C2 C1

  11. 突入電流 Iin ≦ 100 × Ic ( IEC 60831 & 60871 ) Iin: 突入電流 Ic : 每段電容器之額定電流

  12. 2. 諧波是什麼 ? -- 諧波的定義 ? -- 什麼負荷會產生諧波 ? - 諧波的階次 ? - 諧波的量 ? - 諧波的方向 ? -- 諧波的影響

  13. 諧波的定義 何謂諧波(HARMONIC)? 電力系統中除基本波(50/60Hz)外，任一週期性之訊號，皆稱為諧波 諧波種類? 整數諧波 : 2nd, 3rd, 4th,5th,… 偶次諧波 : 2nd, 4th, 6th,..；奇次諧波 : 3rd, 5th, 7th,.. 非整數諧波 : 2.3th, 5.6th ；次級諧波 : <1 之諧波 總諧波電壓失真率: V(THD) 總諧波電流失真率: I(THD)

  14. 產生諧波的負載 6-PULSE CONVTER + A AC B DC C - 直流電機, UPS, 電鍍, 電解, 電信 ,電池充電機…

  15. 產生諧波的負載 6-PULSE INVERTER + AC P W M M O T O R A AC DC B C - 變頻器應用:造紙機械,紡織機械,空調設備,印刷設備 …

  16. 諧 波 產 生 源 電弧設備 電磁性負載 電弧爐 點焊機 變壓器 電動機 電子式電力轉換器 1.整流器(Converter) 4.切換式電源供應器 2.變流器(Inverter) (Switch Moad Power Supply) 3.循環換流器 5.脈波調變驅動裝置 (Cycloconverter) (Pulse Width Modulation Driver) 工 廠 ◎ 整流設備 (DC MOTOR) ◎ 變頻器 (INVERTER) ◎ 恒溫設備 ( SCR Control) ◎ 電弧爐 ( ARC FURANCE ) ◎ 點焊機 ◎ 變壓器 大樓、醫院 ◎ 電梯 ◎ 不斷電系統 ( UPS ) ◎ 空調主機 家 庭 ◎ 洗衣機 ◎ 冷氣機 ◎ 照明設備

  17. 各種用戶的諧波源 • 醫院 電梯，電腦，不斷電系統，通風系統，照明醫療儀器 • 銀行、郵局與保險、證券公司 電腦，不斷電系統，通風系統，照明 • 機場、大樓、百貨公司、飯店 電腦，不斷電系統，通風系統，照明，電扶梯 • 大學 電腦，不斷電系統，通風系統，照明 • 音樂廳、體育場與會議廳 投射燈，變頻器，音響，照明

  18. 單相非線性負載接用三相四線式電源 電腦顯示器及辦公室週邊設備 電源供應器 電子式整流器及其它電子設備 照明設備、變頻器 單相不斷電系統(UPS) 電視牆……………..等 第三諧波產生源

  19. 第三諧波發生場所 1.報社 2.出版社 3.港務局 4.電信機房 5.體育場(館) 6.展覽會場 7.電視台 8.廣播電台 9.戲劇院 10.捷運(地鐵) 11.地下道 12.隧道 13.住宅小區 14.影視制作場 15.飯店 16.百貨公司 17.機場(塔台) 18.火車站 1.政府辦公室 2.稅務局 3.郵局 4.研究院 5.會議廳 6.證券公司 7.金融公司 8.保險公司 9.圖書館 10.紀念館 11.學校 12.醫院 13.遊樂場 14.活動中心 15.訓練中心

  20. ITHD% = (總諧波電流失真率) 家電諧波測量資料 摘錄自電機月刊第十一卷第十一期

  21. 例: n=1*6±1 n=2*6±1 : : 5 7 n:諧波次數 k:常數 1,2,3,… p:pulse數 11 13 諧波的階次

  22. 例: In:諧波電流值 I1:基本波電流 n:諧波次數 11 諧波的量

  23. 諧波的方向 諧波電流 LOAD

  24. 諧波的方向 諧波電流 LOAD

  25. 諧波的影響…變壓器 • 諧波電流將會使變壓器增加銅損(copper losses ) 磁滯損( Stray flux losses ) • 諧波電壓將會使變壓器鐵損( Iron losses )增加 • 同時電力諧波亦會使變壓器機械噪音提高並產生額外的溫昇 • 尤其諧波頻率愈高,噪音與溫昇特性愈明顯

  26. 諧波的影響…電力電纜 由於諧波電流為基頻電流以外之異常電流 , 如有過量之諧波容易因過電流而產生過熱現象 , 導致導體絕緣破壞而燒毀。 且導體對高頻之諧波電流有集膚效應( Skin effect ) , 使其載流量額定因而減少。

  27. 諧波的影響…轉動機具 轉動機具( Induction and synchronous machines )於運轉中 , 將會因諧波電壓與 電流產生額外的鐵損與銅損( Iron and copper losses ) , 進而影響及轉動機具之 機械效率( Machine efficiency )和穩定轉矩

  28. 諧波影響…通訊 諧波電流或諧波電壓會感應電磁場( Magnetic and electric fields ) , 將影響鄰近電話線之通訊品質。 如何減少諧波對通訊網路聲頻的干擾率 , 在 IEEE/Std 519-1992 有下列幾項建議 : (1) 適當的擺設與遮蔽 (2) 避開地線回路與不平衡三相電路 (3) 減少閘流體換相時間 (4) 加裝串聯或並聯濾波器 , 以達隔離或 濾除諧波之功效

  29. 諧波影響…電容器 依據日本JIS/C4901、 JIS/C4902、IEEE/Std 18-1992等標準 , 對高低壓電容器皆有過壓容許時間規定。電容諧波事故常因電力系統發生串並聯共振擴大諧波污染 , 產生過大之諧波電壓所致 , 一般之改善方法為串接適當之電感值於電容器上 , 使共振點避開諧波源 , 除可免於擴大諧波污染 , 亦可適度濾除諧波。

  30. 3.諧波與電容器的關係? - 造成電容器過電流 - 與系統產生並聯諧振 - 與系統產生串聯諧振 - 造成電容器故障 - 增大諧波對系統的影響

  31. 造成電容器過電流 變大 I5(300Hz) I7(420Hz) ……… 變壓器 有諧波時, 諧波頻率 fn 越高 則 Inverter 電容器 M 變小

  32. 造成電容器過電流 電容器運轉電流(Irms)： 電容器額定電流(I1) 及 流入電容器的諧波電流(Ih) 電容器運行時為滿載電流 I1=100%, 加上外來諧波電流時, 若運行電流大於1.3倍額定電流時, 電容器將迅速故障

  33. 與系統產生並聯諧振 諧波電流 I5 , I7 ,I11 … 電容器 - 造成電容器故障 - 增大諧波對電網的影響 LOAD

  34. 與系統產生並聯諧振 無 限 大 的 諧 波 電 壓 Harmonic XTR(n) XC(n) TR Load CAPACITOR 無限大的諧波電壓 將於電網與電容器間,產生大電流 將迅速造成電容器故障

  35. 與系統產生串聯諧振 V5 , V7 ,V11….. 變壓器 LOAD 電容器

  36. 與系統產生串聯諧振 ZLC(n) TR XTR Harmonic V5 ,V7, V11…. CAPACITOR XC 當 XTR(n)=XC(n)時 ZLC(n)的阻抗為 0

  37. 與系統產生串聯諧振 無 限 大 的 諧 波 電 流 Harmonic V5 , V7, V11….. ZLC(n)的阻抗為 0 諧波電壓流經 阻抗為 0 的迴路時 將產生無限大的諧波電流

  38. 與系統產生串聯諧振 V5 , V7 ,V11….. 變壓器 LOAD 電容器 - 造成電容器故障 - 增大諧波對電網的影響

  39. 共振實例 11.4KV 60HZ SK1=240MVA 800KVA Z=5% SK2=16MVA ( 1 ) SK3=15MVA 400V ( 2 ) Inverters 6-Pulse SC: 100Kvar*6

  40. POINT ( 1 ) Order of 0Kvar 100Kvar 200Kvar 400Kvar Harmonic A A A A 1 5 7 11 13 550 165 66 33 28 502 198 98 171 221 472 248 190 54 22 443 495 215 15 8 POINT ( 2 ) Order of 100Kvar 200Kvar 400Kvar Harmonic A A A 1 5 7 11 13 144 33 32 137 250 289 82 124 87 50 577 330 281 48 36 IRMS 323A 340A 724A

  41. 4.如何避免諧波影響? • 避免電容器過電流 • 避免與系統產生並聯諧振 • 避免與系統產生串聯諧振 • 電容器內部保護

  42. 避免諧波影響方法 1. 更換諧波源設備?(NO) 2. 改變電力系統短路容量?(NO) 3. 不裝電容器?(被罰款) 4. 串接電抗器(最好的方法)

  43. 電抗器 電容器 Z(Ω) XL(n) = XC(n) XL f(Hz) XC f0 串接電抗器原理

  44. 電抗器 電容器 Z(Ω) f(Hz) 串接電抗器原理 XL(n) = XC(n) f0

  45. 300 串接電抗器原理 Z(Ω) 變壓器阻抗 : XL(N) = XC(N) XTR(n) f(Hz) F0=245 於諧波頻率下: 電容電抗器組的阻抗大於 變壓器 (電網) 阻抗

  46. 變壓器 阻抗小 阻抗大 諧波電流 I5 , I7 ,I11 … 6% 電抗器 電容器 LOAD 僅有少量諧波流入電容電抗器中

  47. 串接電抗器原理 Z(Ω) 電 感 性 電 容 性 300Hz f(Hz) F0=245 頻率低於245Hz 呈電容性 頻率大於245Hz 呈電感性

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