1. Introducción

Debido a la amplia aplicación de cargas no lineales, contaminación armónica es una de las principales preocupaciones de los sistemas de energía. Aunque se han hecho grandes progresos en la mitigación de armónicos por los fabricantes de dispositivos no lineales, instalaciones industriales y empresas de servicios públicos, temas armónicos graves aún pueden estar presentes en sistemas eléctricos de potencia, especialmente cuando las condiciones enfermos ocurrir ya sea causados ​​por las empresas de servicios públicos o de los usuarios finales en las instalaciones industriales.

Los variadores de frecuencia (VFD) son los más ampliamente utilizados en instalaciones industriales. Armónicos característicos definidos por IEEE std. 519-1992 se basan en diferentes configuraciones del sistema de VFD[1]. Salvo algunas cargas especiales, tales como hornos de arco[1] y sistemas de tracción de ferrocarril que producen armónicos pares y otros armónicos no característicos en el sistema, la mayoría de las instalaciones industriales con variadores de frecuencia sólo tienen armónicos característicos y una pequeña cantidad de armónicos no característicos, que son por lo general dentro de los límites pares e Triplen armónicos propuestas por IEEE std. 519-1992. Por lo tanto, cuando gran cantidad de armónicos no característicos están presentes en un sistema de energía, por lo general indica que el sistema no es saludable y se requiere que la solución de problemas para determinar las causas profundas del problema.

Armónicos no característicos son investigadas en[2-9]. Se explica en[2] que los armónicos no característicos son causadas por la magnitud del voltaje desequilibrado o fase de no simetría. La amplitud de los armónicos no característicos aumenta con el aumento de tensión no simetría.

Dos casos se investigan en este trabajo por dos instalaciones industriales, que tienen gran contenido de armónicos no característicos. El primer caso es el de un sistema de energía de la minería con dos rectificadores nominal de 12 MW cada una y con un conjunto de filtros de armónicos instalado. Amplia investigación se lleva a cabo para que este sistema basado en dos medidas y resultados de simulación por ordenador. El segundo caso es el de un sistema de distribución del campo de petróleo con múltiples VFD. El problema de este sistema es que las formas de onda de corriente en la entrada del VFD se distorsionan gravemente.

2. Características y Noncharacteristic Armónicos de rectificadores

IEEE std. 519-1992[1] propone corrientes armónicas generadas en un rectificador de puente para una condición ideal. "Ideal" se basa en la suposición de que la corriente CC no tiene ondulación y la corriente DC es transferido de una fase a otra en el instante en el voltaje en la fase de entrada excede el voltaje en la fase de salida[1]. Los componentes de corriente armónica para condiciones ideales se obtienen las siguientes ecuaciones[1]:

donde,

h : orden armónico

k y m : cualquier entero positivo

q : número de pulsos del circuito rectificador

Yo_h: la amplitud de la corriente armónica de orden h

Yo₁ : la amplitud de la corriente fundamental

Para un rectificador de 6 pulsos o una unidad de frecuencia variable (VFD), las corrientes armónicas características son 5, 7, 11, etc. Para VFD utilizando la técnica de multiplicación de fase tal como de 12 pulsos y 18 pulsos los armónicos de entrada atenuante, algunas corrientes armónicas pueden ser cancelados en comparación con las unidades de 6 pulsos. Como dice en la norma IEEE 519-1992, si las secciones m rectificador de seis pulsos [1]:

• Tener la misma relación de transformación
• Tener transformadores con impedancias idénticas
• Está desplazada en fase exactamente 60 / m grados el uno del otro
• Se controlan exactamente en el mismo ángulo de retardo, y
• Comparte la corriente de carga dc igualmente

Mesa 1. Tensión límites de distorsión armónica basada en el estándar IEEE std. 519-1992

Mesa 2. Límites de distorsión armónica de corriente basado en IEEE std. 519-1992

Entonces la única presente armónico en la entrada de la unidad será del orden del ± kq 1 como se muestra en la Ecuación (1). Por ejemplo, armónicos característicos de los sistemas VFD de 12 pulsos con la fase dos rectificadores desplazan 30 ° son 11,13, 23, 25^ª,... Para los sistemas VFD de 18 pulsos con la fase tres rectificadores desplazado en 20 ° armónico característico más bajo es 17^ª. Para los sistemas VFD de 24 pulsos con la fase cuatro rectificadores desplazado por tioned en[1] que no hay dos secciones del rectificador son idénticos en todos estos aspectos. Por lo tanto, armónicos no característicos siempre estarán presentes en la medida que estos requisitos no se cumplen en la práctica.

IEEE std. 519-1992 propone los límites de distorsión armónica recomendados (Tablas 1 y 2), que son ampliamente aceptados por varias industrias. Se especifica en la Tabla 2 que los armónicos pares se limitan a 25% de los límites armónicos impares de la tabla[1].

En un rectificador de 6 pulsos o una unidad de frecuencia variable (VFD), las corrientes armónicas características son 5, 7, 11, etc. Para VFD utilizando la técnica de multiplicación de fase tal como de 12 pulsos

3. Caso 1: Armónicos pares

Incluso los armónicos suelen estar presentes en cantidades muy pequeñas y no son motivo de preocupación para los sistemas de energía en condiciones normales de funcionamiento. Sin embargo, gran cantidad de armónicos pares se podría generar en algunas condiciones con enfermedades tales como mal funcionamiento del equipo. La situación podría ser amplificado si el sistema contiene filtros de armónicos que pueden excitar una resonancia armónica par.

Estudio de caso 1 Soluciona un problema de armónicos pares grave ocurrió en una instalación minera grande que consiste en dos grandes rectificadores de 6 pulsos nominal de 12MW cada una. La configuración del sistema se muestra en la figura. 1.

Figura 1. La configuración del sistema para el caso 1.

Las grandes corrientes armónicas incluso se detectaron en Locations clave del sistema de marzo 2004. Grande 3^rd También se encontraron los alquileres act armónicas. Estos armónicos pares altos causan serias preocupaciones y se realizó una investigación para determinar la causa raíz del problema.

Debido a la gran cantidad de la 2, 3y corrientes 4harmonic como se muestra en las Figuras. 8 y 9, las formas de onda de corriente en los dos rectificadores de las figuras. 6 y 7 no muestran la forma de onda de corriente típica de los rectificadores de 6 pulsos. Para los propósitos de comparación corrientes armónicas dominantes en los puntos clave de medición se resumen en la Tabla 3. Corrientes armónicas dominantes medidos en los dos rectificadores en abril 2002 también se incluyen en la misma mesa.

Mesa 3. Medido espectros de corriente armónica marzo 2004 y abril 2002 en la posición clave de la instalación.

Mesa 3 indica que 16.8% y 34.3% 2corrientes armónicas nd en porcentaje de la fundamental se generaron mediante rectificadores 1 y 2 marzo 2004, respectivamente. La 4^ª corrientes armónicas son las segundas mayores armónicos pares presentes en la cantidad de 8.1% y 6.9% de la fundamental de rectificadores 1 y 2. Los dos rectificadores también generaron gran 3^rd corrientes armónicas en la cantidad de 4.8% y 17.2% de la fundamental. La 3^rd corrientes armónicas serán discutidos por separado en la sección siguiente para el caso 1.

Corrientes armónicas características y no características fluían aguas arriba de los rectificadores. Primero fueron a través CB6, el alimentador principal de los dos rectificadores, thendistributed a otras partes del sistema de distribución. Algunos armónicos característicos, como las corrientes armónicas quinto se reunieron en el bus común, "Autobús del rectificador principal", y la mayoría de ellos fueron cancelados debido a la variación de fase de los dos transformadores. Como se muestra en la Tabla 3, la 5^ª corriente armónica es 24.8% en el rectificador 1 y 17.1% en el rectificador 2, la mayor parte de la 5^ª corrientes armónicas se cancelan al bus principal rectificador, y el 5^ª corriente armónica sigue siendo sólo 1.8% en CB6.

De acuerdo con los armónicos no característicos, la 2^nd corriente armónica se reduce a 12.2% de la fundamental en CB6 desde un principio 16.8% y 34.3%, que se reduce. Sin embargo, la 4^ª aumentos de corriente armónica a 26.9% de la fundamental de originalmente 8.1% y 6.9%. Del mismo modo, el amplificada 4^ª corriente armónica, 15.4% de la fundamental, también se encuentra en CB3. La causa de la amplificación de la 4^ª corriente armónica en el circuito eléctrico de aguas arriba es investigado por la realización del estudio de armónicos y la resonancia.

Un análisis de resonancia indica que debido a la conexión de los dos grupos de filtros de armónicos, los puntos pico de impedancia creadas se encuentran en la 4^ª frecuencia armónica (240Hz para el sistema de 60Hz). Desde los rectificadores generado una cantidad significativa de las corrientes armónicas incluso, resonancia grave y la amplificación se llevaron a cabo y el resultado, en gran 4^ª corrientes armónicas que fluyen en el sistema de. Las características de respuesta de frecuencia del sistema en el 10 kV "rectificador principal de autobuses" se muestran en la Figura. 10. La curva característica de respuesta de frecuencia en 10 kV "bus principal" conectados al secundario del transformador de 25MVA es muy similar a la figura 10.

Figura 10 indica debido a la conexión de la 5^ª, 7^ª, 11^ª, y 13^ª filtros de armónicos-sintonizados solo unos pocos que los puntos pico de impedancia situados en 240Hz, 360Hz, 480Hz y 720Hz se crean. Para un sistema de 60Hz, estas frecuencias corresponden a la 4^ª, 6^ª, 8^ª y 12^ª armonía. Puntos de impedancia de pico también se conocen como puntos de resonancia. La 4^ª y 6^ª corrientes armónicas en la Tabla 3 se incrementan significativamente en CB6, este es el resultado de la resonance.The armónica 8^ª y 12^ª corrientes armónicas en la Tabla 3 no muestran la amplificación obvio en CB6 porque la inductancia de los dos transformadores 7MVA en las ramas rectificadores bloquear parte de estos de orden superior incluso corrientes armónicas de pasar por el sistema de aguas arriba.

El espectro de la corriente armónica tomada en uno de los rectos-ficadores en abril 2002 muestra el contenido armónico de las rectos-Fiers bajo condiciones de funcionamiento normales (Mesa 3). Se ha encontrado que los armónicos no característicos, incluyendo la segunda, 3rd, 4ª, 6ª, etc eran muy pequeños en ese momento.

El análisis indica que los dos rectificadores generan gran cantidad de armónicos no características. Corrientes armónicas Thenon-característicos en el cuarto, 6frecuencias armónicas th se amplifican debido a la resonancia en paralelo en el sistema. Esa es la razón por la que un 26.9% 4^ª se detectó una corriente armónica t el 10 kV "rectificador principal de autobuses", CB6. Es muy probable que un mal funcionamiento en los rectificadores causó el problema armónicos no características.

La solución de problemas a posteriori de los rectificadores verifica que un mal funcionamiento de los rectificadores causó este problema. El mal funcionamiento se corrigió, la gran cantidad de corrientes de armónicos no característicos desapareció del sistema.

Figura 10. Frecuencia característica de respuesta a 10KV "Rectificadores principales de autobús".

4. Caso 1: Tercer armónico

Grandes cantidades de 3^rd armónicos también fueron encontrados en la caja 1 durante el mal funcionamiento de los rectificadores de marzo 2004 (Mesa 3). El peor caso fue en rectificador 2 con 17.2% de 3^rd corriente armónica. La 3^rd corriente armónica también apareció en el circuito de la corriente, en CB 6 y CB 3.

Referencias[8,9] proporcionar la explicación de que en las condiciones de desequilibrio de tensión de línea, armónicos Triplen como la corriente armónica tercera y novena pueden aparecer en los convertidores o rectificadores. Dos ejemplos se dan en[9] con diferentes condiciones de desequilibrio de tensión de la red utilizando un 460V 30kVA VFD. La 3^rd corrientes armónicas en porcentaje de la fundamental son 19.2% y 83.7% correspondiente a 0.3% y 3.75% desequilibrio de tensión de la línea, respectivamente. Para el caso de que no hay desequilibrio obvio voltaje de línea, la 3^rd corriente armónica es 2.1% para la misma unidad[9].

Basado en el mismo principio, la 3^rd corrientes armónicas que se muestran en los rectificadores de la instalación minera marzo 2004 también fueron causadas por un desequilibrio de tensión de línea. Las tres tensiones de fase a fase en CB 8 para rectificador 2 se midieron para 6 hora con un punto de medición cada minuto en marzo 17 2004. El desequilibrio de tensión de la línea se calcula para cada punto de medición. El método de cálculo de desequilibrio de tensión se basa en una ecuación proporcionada en[4]. Según[4] el desequilibrio de tensión en porcentaje es definido por la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NO)

en las normas de publicación no. MG 1-1993 como sigue:

Tenga en cuenta que las tensiones de línea se utilizan en esta norma NEMA a diferencia de las tensiones de fase. Cuando se utilizan tensiones de fase, el desequilibrio ángulo de fase no se refleja en la % Desequilibrio y por lo tanto las tensiones de fase rara vez se utilizan para calcular el desequilibrio de tensión[4].

El desequilibrio de tensión de la línea calculada durante el 6 medición horas tendencia se muestra en la figura. 11. Figura. 11 indica que el desequilibrio de tensión en el rectificador 2 para los rangos de medición del período entre 0.4% y 0.7% con la mayoría de los valores de caída de entre 0.5% y 0.6%. Los valores de desequilibrio de tensión de línea calculados explican por qué la 3^rd corriente armónica fue tan alta como 17.2% en el rectificador 2.

Figura 11. Calculado desequilibrio de tensión de línea a CB8, Correcto 2 basado en medidas de línea a línea-trifásico voltajes para el caso 1.

5. Caso 2: Triplen Armónicos

Caso 2 aborda una cuestión armónica Triplen en un sistema de distribución del campo de petróleo con múltiples unidades de frecuencia variable (VFD) en operación. Las formas de onda de corriente en las entradas de los variadores de frecuencia se distorsionan gravemente. Se requirió un análisis de la causa raíz de encontrar una solución a este problema.

Como primer paso para la solución de problemas, las mediciones se tomaron en la entrada de cada VFD. La forma de onda de corriente medida por uno de los variadores de frecuencia se muestra en la figura. 12. Otros VFD tienen formas de onda similares a sus insumos. Se ha encontrado que los dos jorobas no están en la misma magnitud para cada ciclo medio en la forma de onda de corriente.

Figura 12. Medido forma de onda de corriente en la entrada de VFD 1.

El espectro de corriente armónica correspondiente para la forma de onda de corriente medido se muestra en la figura. 13. Esta corriente espectro armónico contiene 23% 3^rd corriente armónica y 13% 9^ª corriente armónica en porcentaje de la fundamental. Por otra parte, incluso armónicos son pequeñas y todo dentro 1.5%. Por lo tanto, formas de onda actuales distorsiones son causadas por Triplen armónicos sólo.

Figura 13. Espectro de armónicos de corriente en la entrada del variador de frecuencia 1.

Al igual que en la sección 4, el desequilibrio de tensión de línea de la red de baja tensión de 480 V se calcula utilizando medido tres tensiones de fase a fase para VFD1. El período de medición de tendencia es más de 5 día. El desequilibrio de tensión línea calculada durante el período de medición se muestra en la figura. 14. Esta figura muestra que los valores de desequilibrio de tensión de línea oscilan entre 0.2% y 0.9% con la mayoría de los valores de caída de entre 0.3% y 0.6%. Con tal desequilibrio de tensión de línea de la red pública de suministro de armónicos Triplen se generan en las entradas del VFD y por lo tanto conducen además a graves distorsiones de forma de onda de corriente en las entradas de unidades.

Por lo tanto, se puede concluir que la causa fundamental de la caja 2 es el desequilibrio de voltaje de la energía de la red de suministro.

Figura 14. Calculado desequilibrio de tensión de línea a la entrada del VFD1 basado en medida de línea a línea-de tres tensiones de fase para el caso 2.

6. Conclusiones

Armónicos no característicos, incluyendo uniforme y armónica Triplen se investigan en este trabajo. Se llevaron a cabo dos estudios de caso.

Caso 1 se ocupa de la generación incluso armónicos causados ​​por mal funcionamiento del equipo de una instalación industrial. Incluso los armónicos, particularmente las corrientes armónicas cuarta y sexta se amplifican de manera significativa por resonancia debido a la presencia de la quinta y séptima filtros de armónicos pasivos-individuales sintonizado en el sistema. Caso 1 también muestra que la causa raíz de un alto 3^rd corriente armónica (hasta 17% en un rectificador), es causada por un desequilibrio de tensión de la línea de alimentación.

Corriente armónica en % de fundamental

Caso 2 presenta un grave problema de la distorsión de forma de onda de corriente en un sistema de distribución de campos petroleros con múltiples VFD. Corrientes armónicas Triplen se encuentran en la entrada de los VFD, pero incluso las corrientes armónicas parecen ser normales. Todas las unidades del sistema muestran situaciones similares. El desequilibrio de tensión de línea calculado a la entrada de un variador de frecuencia oscila entre el 0.2% y 0.9% basado en medidas tres tensiones de fase a fase. Se concluye que la causa fundamental de la caja 2 es un desequilibrio de tensión de línea de la red pública de suministro.

Sobre la base de las investigaciones en este estudio, cuando gran cantidad de armónicos no característicos aparecen en las instalaciones industriales, esto indica que algo puede ser muy mal en el sistema. Un análisis de la causa raíz detallada y solución de problemas deben llevarse a cabo para identificar la causa raíz del problema y resolverlo antes que el equipo se daña o personal se lesiona.