Generadores y cargas no lineales: Cómo la mitigación de armónicos elimina el requisito de sobredimensionamiento — Mirus International

01 El Problema: El gran tamaño no es la respuesta

Cuando los variadores de velocidad ajustable (TEA), Sistemas UPS, equipo de computo, y otras cargas electrónicas de potencia están conectadas a un generador, La respuesta convencional de la industria es sobredimensionar el generador, generalmente 2 a 2.5 veces la capacidad nominal: para adaptarse a las corrientes armónicas que producen estas cargas no lineales. Esta regla general se sigue ampliamente pero no se comprende bien., y sus consecuencias son significativas.[1]

Las consecuencias de no sobredimensionar son reales: condiciones de apagón, sobrecarga del generador, disparos intempestivos, Mal funcionamiento del AVR, fallas del generador, y daños en el equipo de carga debido a una distorsión de voltaje elevado. Pero las consecuencias del sobredimensionamiento también son reales, y en muchas aplicaciones, ellos son el problema más grande:

• Mayor costo de capital - a 500 Un generador de kW cuesta sustancialmente más que un 200 Unidad de kW para la misma carga útil
• Pobre eficiencia operativa — los generadores diésel funcionan de manera más eficiente con una carga del 75 al 85 %. Un generador de gran tamaño que funciona con una carga del 20 al 30 % consume proporcionalmente más combustible por kWh entregado
• Mayores emisiones — más combustible quemado significa más CO₂, materia particulada, CO, y óxidos de nitrógeno. Un litro de diésel emite aproximadamente entre 2,4 y 3,5 kg de CO₂
• Mayor costo operativo - combustible, mantenimiento, y los costos de arrendamiento varían según el tamaño del generador

El argumento central de este artículo es sencillo.: El sobredimensionamiento es una solución de ingeniería para un problema que tiene una solución técnica directa.. Aplique una mitigación de armónicos efectiva (reduzca las corrientes armónicas en la fuente) y el generador podrá ajustarse al tamaño adecuado para la carga real., no para una carga ficticia 2× que tenga en cuenta armónicos absolutos.[1]

02 Teoría del generador: Por qué las cargas armónicas son difíciles para los generadores

2.1 Impedancia de la fuente: el parámetro fundamental

Un generador síncrono proporciona una relativamente “débil” fuente de voltaje en comparación con una red eléctrica. Su impedancia de fuente se caracteriza por la reactancia subtransitoria insaturada X”d - expresado como porcentaje de la impedancia base del generador. X típico”Los valores d oscilan entre 10% a más 20% dependiendo del fabricante, capacidad, y la intención del diseño.[1]

Cuanto mayor sea la X”d, cuanto más débil es la fuente. Una conexión a la red de servicios públicos con abundante capacidad de cortocircuito puede tener una impedancia de fuente efectiva del 1 al 3 % en la entrada de servicio de un cliente industrial.. Un generador diésel en el mismo autobús tiene una impedancia de fuente del 10 al 20 %.. Esta diferencia de 5 a 20 veces en la impedancia de la fuente es la causa fundamental de por qué los problemas armónicos que son benignos en el suministro de servicios públicos se vuelven graves en el suministro del generador..

2.2 Tres mecanismos de pérdida armónica en generadores.

Las corrientes armónicas reducen la capacidad del generador a través de tres mecanismos de pérdida distintos, todo lo cual aumenta la temperatura de funcionamiento y reduce la capacidad del generador para entregar energía útil.:[1]

• Amortiguador (apagador) perdidas de jaula — los campos magnéticos parásitos de las corrientes armónicas en el estator inducen corrientes circulantes en la jaula del amortiguador del rotor. La resistencia de la jaula convierte estas corrientes circulantes en calor., Representa la potencia que el generador debe producir pero que no realiza ningún trabajo útil..
• Pérdidas I²R por efecto piel — en frecuencias armónicas, El flujo de corriente se concentra en la superficie exterior de los conductores. (efecto piel). La resistencia efectiva de los devanados del estator aumenta a frecuencias armónicas., Aumento de las pérdidas I²R más allá de lo que predeciría la resistencia de CC..
• Pérdidas centrales — el flujo armónico en el núcleo del generador produce corrientes parásitas adicionales y pérdidas por histéresis, reduciendo aún más la eficiencia y aumentando la temperatura de funcionamiento.

2.3 Sensibilidad del AVR a la distorsión del voltaje

El regulador automático de voltaje. (AVR) Controla la excitación de campo del generador para mantener el voltaje de salida constante.. Los circuitos de detección de voltaje AVR deben responder al voltaje RMS verdadero o al componente fundamental, pero no deben responder a la distorsión armónica.. Cuando el voltaje terminal está muy distorsionado por cargas no lineales, Muchos diseños de AVR tienen dificultades para extraer una señal limpia de frecuencia fundamental., llevando a la caza, oscilación, o pérdida de regulación de voltaje. Los sistemas de control de excitación que obtienen su suministro de energía de la salida del generador también son vulnerables., ya que una fuente de alimentación distorsionada puede provocar un mal funcionamiento de los propios componentes electrónicos de excitación.[1]

03 Efectos de impedancia de fuente: La relación contraintuitiva entre THDi y THDv

Uno de los aspectos más importantes y menos comprendidos de los armónicos en sistemas alimentados por generadores es la relación inversa entre la distorsión de la corriente y la distorsión del voltaje a medida que cambia la impedancia de la fuente.. Datos medidos del mismo 15 HP, 480 En, 6-El ASD de pulso que funciona con dos fuentes de suministro diferentes ilustra esto claramente..[1]

3.1 Suministro de servicios públicos rígido

Higo. 1. Corriente de entrada de 15 HP, 6-pulse ASD en una fuente de utilidad rígida. THD_yo = 108% — la característica forma de onda aguda de doble pulso de un rectificador de 6 pulsos sin filtro. A pesar de esta distorsión de corriente muy alta, la baja impedancia de la fuente produce una distorsión de voltaje insignificante. Fuente: Mirus Internacional / Línea eléctrica EGSA Q3 2019.[1]

Higo. 2. Tensión de entrada de 15 HP, 6-pulse ASD en una fuente de utilidad rígida. THD_en = 2.2% — la baja impedancia de la fuente absorbe las corrientes armónicas sin una distorsión de voltaje significativa. La forma de onda del voltaje es esencialmente sinusoidal.. Fuente: Mirus Internacional / Línea eléctrica EGSA Q3 2019.[1]

3.2 Suministro débil del generador: mismo impulso, misma carga

Higo. 3. Corriente de entrada del mismo. 15 HP ASD, ahora alimentado desde una fuente de generador débil. THD_yo = 25.8% — más bajo que en la fuente de servicio público rígida porque la alta impedancia de la fuente suaviza los pulsos de corriente. Fuente: Mirus Internacional / Línea eléctrica EGSA Q3 2019.[1]

Higo. 4. Tensión de entrada del mismo. 15 HP ASD en la fuente del generador débil. THD_en = 13.8% — desmoronamiento severo visible. A pesar del THDi más bajo, La distorsión de voltaje es catastróficamente peor porque las corrientes armónicas fluyen a través de la alta impedancia de la fuente del generador.. Fuente: Mirus Internacional / Línea eléctrica EGSA Q3 2019.[1]

04 Filtro armónico de amplio espectro: Compatibilidad de diseño y generador

4.1 La topología WSHF

Un filtro armónico de amplio espectro. (WSHF) Es un filtro pasivo conectado en serie que utiliza una combinación de un elemento de bloqueo y un elemento de filtrado sintonizado.. A diferencia de los filtros pasivos sintonizados que apuntan a órdenes armónicos específicos, Un WSHF proporciona reducción de armónicos en un amplio rango de frecuencia, atenuando todos los armónicos característicos de un rectificador de 6 pulsos. (5ª, 7ª, 11ª, 13ª) simultáneamente. THD_yo a plena carga se puede reducir a tan solo 5% independientemente de si el variador incluye un reactor de CA o CC.[1]

Higo. 5. Esquema del filtro armónico de amplio espectro. El diseño combina un elemento de bloqueo. (L1, L2: múltiples devanados en un núcleo común que aprovecha el acoplamiento mutuo) con un elemento filtrante sintonizado (L3, C). La frecuencia de resonancia vista desde los terminales de entrada está cerca del cuarto armónico, por debajo de los armónicos predominantes de los rectificadores trifásicos.. Fuente: Mirus Internacional / Línea eléctrica EGSA Q3 2019.[1]

4.2 Por qué la baja reactancia capacitiva es fundamental para los generadores

El diseño del banco de condensadores WSHF es particularmente importante para aplicaciones alimentadas por generador.. El acoplamiento mutuo entre los múltiples devanados del reactor de núcleo común permite el uso de un banco de capacitores significativamente más pequeño, generalmente menos de 15% Potencia reactiva como porcentaje de la capacidad de carga completa.. Este es un diferenciador crítico de los diseños de filtros pasivos de la competencia..[1]

Muchos filtros de amplio espectro presentan valores de capacitancia de 30% o mayor en relación con su clasificación de kW. Con carga ligera, cuando la demanda de filtrado de armónicos es baja pero la potencia reactiva capacitiva aún está presente, Estos grandes bancos de capacitores pueden causar condiciones de factor de potencia y aumento de voltaje que interfieren con la regulación del AVR del generador.. Algunos proveedores solucionan este problema apagando los condensadores con carga ligera, lo que simultáneamente elimina la capacidad de mitigación de armónicos del filtro en los niveles de carga donde la estabilidad del generador es más crítica.. La reactancia capacitiva inherentemente baja del WSHF evita este problema sin requerir un contactor de conmutación..

4.3 Protección de importación de armónicos aguas arriba

En instalaciones donde múltiples cargas no lineales comparten un bus de generador común, Un filtro de armónicos en un variador no debe sobrecargarse por corrientes armónicas que fluyen desde otros variadores en el mismo bus.. El diseño WSHF aborda esto colocando la frecuencia resonante (como se ve desde los terminales de entrada) cerca del cuarto armónico: debajo del quinto armónico, que es la característica dominante de los rectificadores trifásicos. Esto significa que las corrientes armónicas de otras cargas en el bus ven una alta impedancia en los terminales de entrada del filtro y no pueden fluir hacia el filtro.. El filtro se protege de la red..

05 Estudio de caso: 200 Bomba remota HP: desde 500 kW a 350 Generador de kW

El estudio de caso es un 200 HP (150 kW), 480 Bomba V en un sitio remoto no tripulado en el Medio Oeste de EE. UU., suministrado por un generador diesel aislado. Esta es la misma aplicación documentada en el estudio de caso de Plains All-American Pipeline anteriormente en esta serie IPQDF: el artículo de EGSA Powerline proporciona el análisis técnico completo que resumió el estudio de caso comercial..[1]

5.1 La secuencia del fracaso

el original 176 El generador de kW provocó inestabilidad en el generador y repetidas fallas del ASD. Siguiendo la recomendación del fabricante del generador., un 500 Se instaló un generador de kW.. Esto redujo, pero no eliminó, los problemas operativos del ASD: las corrientes armónicas todavía estaban presentes., sigue causando pérdidas, Todavía distorsionando el voltaje.. El generador de gran tamaño era lo suficientemente grande como para absorber las consecuencias sin fallar catastróficamente..

5.2 Simulación de tres vías: sin filtro, reactor de CA, WSHF

Se realizó una simulación por computadora para 500 generador de kW que alimenta el 200 HP ASD en 90% carga bajo tres condiciones. La reactancia subtransitoria del generador X”re = 11.8%, factor de potencia = 0.8.[1]

5.3 Mediciones de campo: reactor de CA vs.. WSHF en el 500 generador de kW

Las mediciones de campo se tomaron a un caudal de bomba de 240 HPB, controlado por un bucle de control independiente. La comparación entre los 3% reactor de CA (existente) y la WSHF (instalado como reemplazo) confirmó los resultados de la simulación y reveló un beneficio adicional inesperado:[1]

5.4 Adecuar el tamaño a la 350 Generador de kW: simulación y medición de campo

Con THD_yo abajo 10%, el factor de reducción del generador se redujo de 2 a 2,5 × a 1,4 ×. La bomba ahora sólo requiere 111.5 kW de potencia real, lo que justifica un generador tan pequeño como 200 kW según los cálculos. el operador, comprensiblemente cauteloso dada la historia de fracasos, eligió un 350 Generador de kW de gas natural en su lugar., conversión de diésel a gas de combustión disponible.[1]

La simulación y las mediciones de campo coinciden estrechamente en THD_en y THD_yo. Ambos valores cumplieron con IEEE 519 requisitos cómodamente en el generador más pequeño.[2] El factor de potencia real casi unitario (0.99) refleja los condensadores WSHF que compensan la potencia reactiva inductiva del motor, lo que reduce la carga del generador y mejora la eficiencia del sistema..

06 Consumo de combustible y emisiones: Cuantificar el caso de negocio

El análisis de combustible y emisiones comparó tres escenarios operativos al mismo tiempo. 240 Rendimiento de HPB: 500 Generador de kW con reactor de CA (base), 500 Generador de kW con WSHF, y 300 Generador de kW con WSHF. Costo del diésel: $3.80 USD/galón. factor de emisión de CO₂: 10.2 kg/galón. Operación: 24 horas/día, 7 días/semana.[1]

La 500 El generador de kW que funciona con una carga del 22 al 27 % está funcionando en su región menos eficiente. Un generador del tamaño correcto en 39% La carga no sólo utiliza menos combustible en términos absolutos: utiliza menos combustible por kWh entregado porque opera con una fracción de carga más alta donde la eficiencia del motor diésel es mejor.. Los dos efectos se combinan: motor más pequeño, mejor eficiencia por unidad de producción.

07 Perspectiva PQ: El argumento completo de la ingeniería

7.1 Por qué este artículo pertenece a una serie de PQ

Este artículo de EGSA Powerline de Hoevenaars y McGraw es el tratamiento técnicamente más completo de la relación generador-armónicos-corrector de tamaño en esta serie IPQDF.. Proporciona lo que los estudios de casos comerciales no proporcionaron.: la física del generador subyacente (X”d, Sensibilidad AVR, efecto piel), la teoría de la impedancia de la fuente que explica la relación THDi/THDv, la metodología de simulación, las tablas de datos, y la cuantificación de emisiones, todo en un solo documento dirigido al público de la industria generadora.

Desde una perspectiva de calidad de energía eléctrica, Los argumentos aquí son familiares pero el marco es diferente.. El ingeniero de servicios públicos considera los armónicos como un problema de contaminación de la red: los armónicos inyectados por un cliente afectan a los clientes vecinos.. El ingeniero de generadores piensa en los armónicos como un problema de capacidad y eficiencia: el generador no puede entregar su potencia nominal porque los armónicos consumen capacidad y aumentan las pérdidas.. Ambos encuadres son correctos.. La solución (reducir la corriente armónica en la fuente) es la misma en ambos casos..

7.2 La transición del factor de reducción en 10% THD_yo

El umbral específico citado por los fabricantes de generadores: reducir la THD_yo abajo 10% y el factor de reducción cae de 2–2,5× a 1,4×: es el punto de inflexión de ingeniería en torno al cual gira todo el argumento del redimensionamiento.. Lineator AUHF y Lineator WSHF alcanzan de manera confiable entre 5 y 8 % de THD_yo a plena carga, cómodamente por debajo de este umbral. La 3% El reactor de CA normalmente alcanza entre 20 y 30 % de THD_yo — por encima del umbral, por lo que todavía se aplica la reducción de 2×. Esta única distinción de rendimiento es lo que hace que un filtro pasivo de amplio espectro sea la tecnología habilitadora para corregir el tamaño del generador..

7.3 Simulación + Medición de campo: la metodología adecuada

El análisis de este artículo sigue la misma metodología demostrada en la serie de estudios de caso de Mirus.: Simulación armónica antes de la instalación para confirmar la solución., Medición de campo después de la instalación para verificar el rendimiento.. El estrecho acuerdo entre simulación y medición de campo en THD_en y THD_yo (entre 0,2 y 0,4 puntos porcentuales) valida el modelo de simulación y el enfoque. La discrepancia inesperada en la potencia real (las mediciones de campo muestran consistentemente un menor consumo de energía que la simulación) se reconoce honestamente y se atribuye a efectos físicos. (menor pérdida de inserción, eficiencia mejorada del ASD) que el software de simulación no modeló. Este tipo de transparencia sobre las limitaciones de la simulación es exactamente lo que debe contener un análisis de ingeniería creíble..

Referencias

1. [1] T. Hoevenaars, P.Eng. y M. McGraw, “Generadores y cargas no lineales: la mitigación de armónicos elimina el requisito de sobredimensionamiento,” Línea eléctrica EGSA, Q3 2019, pp. 17–23. Asociación de sistemas de generación eléctrica, Boca Raton, Florida. Mirus Internacional Inc., brampton, Ontario, Canadá.
2. [2] IEEE Std 519-2022, “Estándar IEEE para control de armónicos en sistemas de energía eléctrica,” IEEE, Nueva York, Nueva York, 2022.