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Autores

Daniel J. Carnovale, P.E. DanielJCarnovale@eaton.com Eaton | Cutler-Hammer Moon Township, Pensilvania

Thomas J. Dionise, P.E. ThomasJDionise@eaton.com Eaton | Cutler-Hammer Warrendale, Pensilvania

Thomas M. Floreciente, P.E. ThomasMBlooming@eaton.com Eaton | Cutler-Hammer Minneapolis, Minnesota

Introducción

Este documento asume que el lector tiene un conocimiento básico de los armónicos del sistema eléctrico. Como repaso simple - la explicación aceptable general es que el flujo de corrientes armónicas o son "origen" de las cargas y crear distorsión de la tensión (o tensiones armónicas) a medida que pasan a través de componentes de nivel superior de potencia de impedancia del sistema, como cables, transformers, y generadores. En general, cuanto más lejos de la fuente de corrientes armónicas (es decir. las cargas), la distorsión de menos voltaje verá. Ciertamente hay excepciones y tensiones armónicas pueden ser "producido" por parte del equipo (algunos generadores, por ejemplo) pero el debate general de este trabajo se ocupa de las consideraciones estándar cuando se trata de cargas armónicas típicas que producen en los sistemas de energía comercial e industrial.

A menudo, cuando el tema de la calidad de la energía surge, la gente asume automáticamente que el tema está relacionado con los armónicos. Estos dos términos han sido intercambiados y confusión por desgracia, mucho se ha producido como resultado. El objeto de armónicos es un conjunto de sub-Calidad de Energía (PQ). Otras consideraciones de calidad de energía incluyen las variaciones de tensión (se hunde, interrupciones, parpadeo, etc.), transitorios (sobretensiones, relámpago, eventos de conmutación), y de puesta a tierra - todos los cuales son sujetos significativos por sí mismos. Por lo tanto, cada problema PQ no está relacionado con los armónicos.

Con respecto a los problemas de armónicos, los isthis la línea de fondo: Los armónicos no son un problema a menos que sean un problema. Al igual que con todos los problemas de calidad de energía, no se debe considerar algo un problema PQ a la expedición es un gasto (en términos de sanciones de servicios públicos, pérdidas monetarias, pérdidas de producción o fallos en el funcionamiento).

Sólo porque usted tiene corrientes armónicas que fluyen en el sistema y que se está midiendo la distorsión de voltaje, que no necesariamente tiene un problema. Muy a menudo, aspectos armónicos se plantean porque los niveles han superado el IEEE Std 519-1992 límites recomendados en algún lugar de un sistema de potencia.

El hecho es que la mayoría del equipo puede soportar los niveles de distorsión armónica muy por encima de los límites recomendados conservadores. Los armónicos son interesantes y pueden ser problemáticas, pero a menudo son los culpables de los problemas con ninguna prueba real. Tómese el tiempo para aprender acerca de los armónicos y cómo los sistemas de energía y equipos están realmente afectados y se ahorrará un montón de problemas y sin duda un montón de dinero!

Una vez que haya identificado que de hecho tiene un problema de calidad de la energía relacionada con armónicos, Considere esto - hay al menos diez maneras de resolver el problema. Cuál es el adecuado para usted y será la solución más rentable y cuál va a aliviar claramente los problemas que está experimentando? La discusión económica (elegir qué solución es menos “mejor”) requiere un análisis muy detallado y en este documento se proporcionan directrices para ayudar en la toma de esa decisión. Además, seleccionar una solución armónica no es siempre una decisión económica en todos los casos. Precio y rendimiento son sin duda interrelacionadas y consideraciones para ambos son necesarios para seleccionar claramente la "mejor" solución.

Fuentes de armónicos

¿De dónde provienen de armónicos? Las categorías generales de las cargas que producen armónicos (también llamado cargas no lineales) son:

• Equipos electrónicos de alimentación (unidades, rectificadores, ordenadores, etc.)
• Dispositivos de arco eléctrico (soldadores, hornos de arco, luces fluorescentes, etc.)
• Dispositivos de saturación de hierro (transformers)
• Máquinas rotativas (generadores)

Hoy, las fuentes armónicas más frecuentes y cada vez son:

• Convertidores de frecuencia (AFD)
• Fuentes de alimentación conmutadas (ordenadores)
• Rayo fluorescente

Armónicos síntomas

¿Cómo usted sabe que tiene un problema? El onlyway saber es identificar los síntomas de armónicos. Muy a menudo, si usted reconoce los síntomas específicos de armónicos, el problema ya ha creado problemas en el sistema de potencia. El truco consiste en reconocer los síntomas "potenciales" e identificar los posibles problemas de armónicos antes de que ocurran o para implementar correcciones en el diseño del sistema. A veces, el modelado y cálculos simples le ayudarán a identificar los problemas antes de que se conviertan en un problema.

Los síntomas de problemas de armónicos pueden dividirse en cuatro áreas principales: Falla del equipo y errores de operación, consideraciones económicas, aplicación de capacitores de corrección del factor de potencia y otras cuestiones. Los siguientes síntomas son ejemplos de la falta de equipo y errores de operación asociado con armónicos en un sistema de energía.

• Muescas de voltaje
• Operación de equipos electrónicos errático
• PC y / o PLC bloqueos
• Calentamiento excesivo (motores, cables, transformers, neutrales)
• Las vibraciones del motor
• Ruido audible en transformadores y máquinas rotativas
• Operación de disyuntor Molestias
• Regulador de tensión mal funcionamiento
• Regulador del generador funciona mal
• Timing o errores reloj digital
• Incendios eléctricos

Las siguientes son las consideraciones económicas que deben ser evaluados con respecto a los armónicos.

• Pérdidas / ineficiencia (motores)
• pérdidas en kW de cables y transformadores
• Bajo factor de potencia total de
• Consideraciones del tamaño del generador
• Dimensionamiento cuenta UPS
• Problemas de capacidad (transformers, cables)
• Utilidad impuso sanciones

La aplicación de capacitores de corrección del factor de potencia requiere consideraciones especiales con respecto a los armónicos.

• Fracasos de condensadores
• Fusibles o el interruptor (condensadores de alimentación) disparos intempestivos
• Condiciones de resonancia de armónicos calculados o medidos (serie o resonancia en paralelo)

Otras cuestiones importantes se elevan típicamente con respecto a los armónicos. Curiosamente, estas cuestiones no suelen ser problemas reales, sino más bien bombo creados por la falta de comprensión de los armónicos. Muchos "problemas de armónicos" son problemas de especificación en lugar de problemas reales.

• Medición - es lo que realmente tiene un problema o acabas de instalar un nuevo medidor que puede mostrar la forma de onda y "parece" que debe tener un problema?
• Bombo de la comercialización basada en una especificación de producto - ¿Por lo menos tiene un problema o es que alguien te asusta en la creencia de que existe un problema por lo que comprar su producto?
• Specmanship - "Tú seguirás IEEE-519 ...". Mientras IEEE519 es una práctica recomendada (tenga en cuenta que la palabra clave es "RECOMIENDA"), algún pensamiento se debe dar a la parte práctica de la norma. Además, aplicando los límites IEEE519 en otros lugares en el sistema eléctrico (que no sea el punto de acoplamiento común-, o PCC) suele ser excesivo ya menudo costoso o problemático.

Cada uno de estos síntomas o problemas podría ser discutido en su propio documento técnico, pero basta con decir que la magnitud de los "costos" de estos síntomas suele ser proporcional a la complejidad y el costo de la solución.

IEEE STD 519-1992

IEEE Std 519-1992 es "El abogado y los requisitos recomendados IEEE para el Control de armónicos en sistemas de energía eléctrica". Muchas personas usan las mesas de límites de distorsión de voltaje y corriente para ayudar a determinar si los armónicos provocan un problema en su sistema de energía (o el sistema de energía de sus clientes si son un consultor). Esta norma ha sido seriamente mal usado y mal citado en los últimos años. Muchas veces las soluciones económicas son "seleccionados", basada en la aplicación errónea de la norma y con un costo significativo para el usuario final.

Especificaciones de muestra por encima de las recomendaciones de la IEEE

La siguiente es una especificación de redacción de la muestra. Nota: esto no es una recomendación, sino más bien una muestra de una mala interpretación de la IEEE 519 estándar para una instalación de disco.

Los valores de distorsión armónica que resultan de la aplicación de todas o alguna unidad impulsadas por las combinaciones de carga de motor de frecuencia variable de funcionamiento a plena carga se limitarán según se define en la última edición de la norma IEEE 519.

Esta declaración está bien, pero, por la norma, sólo se aplica a la PCC (punto de acoplamiento común) con la utilidad - no como se define aquí. Esto nos lleva a la discusión más amplia de la ubicación de la PCC (ver siguiente sección sobre la PCC). Curiosamente, incluso con esta declaración como una cabecera (en la misma especificación), declaraciones 1, 3 y 4 abajo contradecir la IEEE 519 recomendaciones.

1. Distorsión de tensión armónica total máximo permitido (THD): 3% de fundamental
2. Frecuencia de distorsión de tensión armónica individuo máxima permitida: 3% de fundamental
3. Frecuencia individual máxima permitida y la distorsión total de la demanda de corriente armónica (TDD): 5% de fundamental
4. Los niveles de distorsión armónica serán específicos al bus centralita suministro de una unidad o grupo de unidades de frecuencia variable
5. El costo de cualquier y todos los equipos correctivas para limitar los niveles de armónicos a estos valores será la responsabilidad del fabricante.

Aunque esta memoria minimizará significativamente los armónicos del sistema de energía muy por debajo de los niveles deseables, es claramente más allá de las recomendaciones presentadas por la norma. Pues resulta que, el ingeniero especificando cubrirá cualquier problema potencial antes de que ocurran, pero aumentará significativamente el costo del trabajo. Se recomienda un enfoque más práctico. Dicho, el costo del equipo correctiva después de los hechos suele ser más alto que las limitaciones necesarias deben ser consideradas y algunas concesiones deben ser hechas tanto a cumplir los requisitos de IEEE al implementar una solución práctica.

Armónicos de tensión o corriente?

Otra afirmación relacionada con IEEE 519 que a menudo provoca gran controversia es la siguiente:

La empresa seleccionada es diseñar e implementar soluciones que podrían reducir la distorsión armónica total en el lado secundario del transformador principal de servicio a menos de 5%.

La pregunta en este caso es - armónicos de tensión o corriente? La principal preocupación de la norma es la distorsión de voltaje. En algunos casos en que el ISC / IL es baja (es decir. la carga es un alto porcentaje de la capacidad del sistema), el límite de distorsión de corriente es 5% (sino simplemente para reducir al mínimo la distorsión de la tensión). El IEEE 519 Norma establece claramente que las corrientes armónicas deben reducirse para minimizar la distorsión de voltaje. Las corrientes armónicas también deben reducirse a minimizar la carga sobre el sistema pero incluso el máximo permitido (20%) distorsión sólo aumentará el total de la raíz cuadrada media (rms) actual en aproximadamente 2%.

Punto de conexión (PCC)

Por la Norma, el PCC es donde otros clientes de servicios públicos pueden ser servidos y no es necesariamente el secundario del transformador de servicio principal y ciertamente no es un cuadro de distribución aguas abajo, MCC, alimentación o la carga. Tenga en cuenta que a veces en los contratos de servicios, la PCC puede ser definido de forma explícita en lugares distintos a como se definen en la norma IEEE 519, tal como un punto de medición.

También, tener cuidado con los fabricantes de equipos, contratistas o ingenieros insisten en que una sola carga debe cumplir con la tensión de IEEE-519 y las recomendaciones actuales. Esto nunca fue la intención de la norma.

SOLUCIONES DE ARMÓNICOS

Los siguientes son soluciones armónicas que son productos comerciales o combinaciones de productos para reducir las corrientes armónicas y minimizar la distorsión armónica de tensión en un sistema de potencia. Las soluciones armónicas se dividen en tres categorías principales: soluciones de accionamiento y rectificador (típico para instalaciones industriales), soluciones para instalaciones comerciales y soluciones armónicas para corregir el factor de potencia.

Unidades y rectificador Soluciones

Las siguientes soluciones son para la unidad o rectificador trifásico (grandes UPSs, por ejemplo) aplicaciones en las que se genera una cantidad significativa de corriente armónica.

Reactores de Línea

Un reactor de línea (ahogar) es una inductancia en serie de 3 fases en el lado de línea de una unidad. Si se aplica una bobina de red en todos los AFDs, es posible cumplir con las normas IEEE, donde hasta 15% a 40% de cargas del sistema son AFDs, dependiendo de la rigidez de la línea y el valor de la reactancia de línea. Los reactores de línea están disponibles en varios valores de impedancia por ciento, más típicamente 1-1.5%, 3%, y 5%.

IEEE 519A muestra un ejemplo de la ventaja de usar reactores de línea en la figura 2. Mesa 1 es un resumen de la distorsión de corriente típico de un coche con un reactor de línea de diferentes tamaños.

Mesa 1 - Reactor vs. Armónicos esperados

Ventajas

• Bajo costo
• Se puede proporcionar una reducción moderada en los armónicos de tensión y corriente
• Disponible en varios valores de porcentaje de impedancia
• Proporciona una mayor protección de la entrada de AFD y sus semiconductores de transitorios en la línea

Desventajas

• Puede requerir montaje independiente o mayor AFD recinto
• No puede reducir los niveles de armónicos por debajo IEEE519 1992 directrices

K-Factor y Drive Transformadores de aislamiento

Underwriters Laboratories (UL) y fabricantes de transformadores establecieron un método de clasificación, el KFactor, para transformadores de tipo seco para evaluar su idoneidad para el servicio en un ambiente armónico. El factor K se relaciona la capacidad del transformador para suministrar diferentes niveles de carga no lineal sin exceder los límites de aumento de temperatura nominal del transformador. El factor K se basa en las pérdidas previstas como se especifica en el método simplificado de IEEE Std C57.110-1986, IEEE Práctica recomendada para el establecimiento de capacidad del transformador Al suministrar corrientes de carga no sinusoidal (ANSI). El factor limitante en relación con el sobrecalentamiento se asume de nuevo para ser pérdidas por corrientes parásitas en los devanados.

Transformadores nominal factor K no ofrecen medios para reducir las magnitudes de corriente armónica (excepto que se ofrecen reactancia de línea - ver Reactores de Línea). Pero el método de factor K permite al ingeniero de elegir un tipo de transformador seco que puede soportar el deber armónica y sin daño o pérdida de rendimiento. Calificaciones del factor K estándar son 4, 9, 13, 20, 30, 40, y 50.

Drive Transformadores de aislamiento son similares a factor K en transformadores que ofrecen impedancia de la línea similar a un reactor de línea y reducen la cantidad de corriente armónica que se "permitió" a fluir a la carga pero por lo demás no reducen los armónicos de la unidad. Generalmente, que son una 1:1 relación de transformación y se utilizan para proteger otras cargas de las altas frecuencias creadas por la unidad y se utilizan en combinaciones para crear un sistema de distribución de 12 pulsos.

Ventajas

• Se puede proporcionar una reducción moderada en los armónicos de tensión y corriente añadiendo reactancia fuente
• Se pueden adquirir diversos valores de porcentaje de impedancia de acuerdo a las necesidades
• Proporciona una mayor protección de la entrada de AFD y sus semiconductores de transitorios en la línea
• Se puede utilizar en combinación con reactores de línea y transformadores para la cancelación de armónicos.

Desventajas

• Factor K transformadores por sí mismos son un método para "vivir con" armónicos, pero no reducirá significativamente los armónicos sobre la solución del reactor más barato.
• Debe ser de un tamaño (totalmente calificado) para que coincida con cada unidad o grupo de unidades.
• No se puede normalmente tomar ventaja de la diversidad de cargas.
• No puede reducir los niveles de armónicos por debajo
IEEE519 1992 directrices

DC Choke

Esto es simplemente una inductancia en serie (reactor) en el lado de CC del circuito de puente de semiconductores en el extremo delantero de la AFD. En muchos sentidos,, la inductancia de CC es comparable a un reactor de línea de CA-side equivalente, aunque el% de distorsión armónica total (THD) es algo menos. La inductancia de CC proporciona una mayor reducción principalmente de los armónicos 5 º y 7 º. En armónicos de orden superior del reactor de línea es superior, por lo que en términos de cumplimiento de normas IEEE, la inductancia de CC y reactores de línea son similares. Si una inductancia de CC (o reactor de línea) se aplica en todos los AFD, es posible cumplir con las normas IEEE, donde hasta 15% a 40% de cargas del sistema son AFDs, dependiendo de la rigidez de la línea, la cantidad de cargas lineales y el valor de la inductancia del estrangulador.

Ventajas

• Unidades integralmente a la AFD
• Se puede proporcionar una reducción moderada en los armónicos de tensión y corriente
• Caída de tensión de menos de una bobina de red equivalente

Desventajas

• Una menor protección que otros métodos para los semiconductores de entrada AFD
• No puede reducir los niveles de armónicos por debajo de IEEE Std 519-1992 directrices
• DC Choke Impedancia suele fijarse por diseño (No seleccionable en campo)
• No está disponible como una opción para muchos AFDs.

12-Pulse Convertidores

La 12 Convertidor de impulsos incorpora dos AFD puentes semiconductores de entrada separados, que se alimentan de 30 grado  desplazar la fase de las fuentes de alimentación con impedancia idéntica. Las fuentes pueden ser de dos transformadores de aislamiento, donde uno es un diseño delta / estrella (que proporciona el desplazamiento de fase) y el segundo un diseño delta / delta (que no cambio de fase). También puede ser un "tres devanados" transformador con un primario delta y delta y devanados secundarios en estrella. Un reactor de línea de impedancia igual a la del transformador delta / estrella también se puede utilizar en lugar del transformador delta / delta.

La disposición 12 de impulsos permite que ciertos armónicos (principalmente quinta y séptima) desde el primer convertidor para cancelar los armónicos de la segunda. Hasta aproximadamente 85% se puede lograr la reducción de la distorsión de la corriente y el voltaje armónico (sobre el estándar de 6 pulsos del convertidor). Esto permite una facilidad para usar un porcentaje mayor de las cargas AFD bajo IEEE Std. 519-1992 directrices que las bobinas de red utilizando permitidos o se ahoga DC.

Ventajas

• Costo razonable, aunque significativamente más reactores o se ahoga
• Reducción sustancial (hasta aprox. 85%) en los armónicos de tensión y corriente
• Proporciona una mayor protección de la entrada de AFD y sus semiconductores de transitorios en la línea

Desventajas

• Adaptación de impedancia de fase desplazada fuentes es fundamental para el rendimiento
• Transformadores menudo requieren montaje independiente o grandes recintos AFD
• No puede reducir los niveles de armónicos de distribución por debajo de IEEE Std 519-1992 directrices

Transformers mitigación de armónicos o de Distribución Multi-Pulse

Esto es similar a un convertidor de 12 impulsos, en una escala macro. Si dos AFDs de igualdad de HP y la carga están desfasadas por la alimentación de un AFD de un transformador delta / estrella, y la alimentación de la segunda a través de un transformador delta / delta o un reactor de línea de impedancia equivalente, rendimiento similar al de 12 pulsos se puede lograr. La cancelación se degradará como las cargas varían de AFD para AFD, aunque, como la carga en una sola AFD disminuye, el porcentaje de la contribución distorsión individuo disminuye, resultando en menos de una necesidad de cancelación. Es posible para una instalación con un gran número de AFD para alimentar dos mitades de la distribución de la fase desplazada transformadores, produciendo una gran reducción en los niveles de armónicos por un costo mínimo, y permitiendo que un porcentaje más alto de las cargas AFD bajo IEEE Std. 519-1992 directrices.

Transformadores múltiple se puede utilizar para desarrollar diferentes desplazamientos de fase entre las fuentes de corrientes armónicas. Por ejemplo, dos transformadores con una 60 Desplazamiento de fase Hz de 30 grados entre ellos dará lugar a la cancelación de la quinta , 7ª , 17ª , y 19, etc. armónicos y se parecerán 12 sistema de accionamiento de pulso.

Cuatro transformadores desplazado por 15 grados con respecto a la otra dará lugar a una distribución de 24 pulsos y se minimizar significativamente los armónicos resultantes aguas arriba del bus común.

Ventajas

• El costo puede ser o bien de alta o baja en función de la aplicación
• Proporciona una reducción sustancial (50-80%) en los armónicos de tensión y corriente
• Proporciona una mayor protección de la entrada de AFD y sus semiconductores de transitorios en la línea

Desventajas

• El costo puede ser alto o bajo dependiendo de la aplicación
• Adaptación de impedancia de fase desplazada fuentes es fundamental para el rendimiento
• Cancelación de máxima sólo se produce si la unidad de carga se equilibra
• Transformadores requerirá montaje independiente
• No puede reducir los niveles de armónicos por debajo de IEEE Std 519-1992 directrices

Tuned filtros de armónicas

Filtros de armónicos Tuned consisten en la combinación de un reactor y elementos de condensador. Corrección de factor de potencia puede ser incorporado en un diseño de filtro, pero se debe tener cuidado si se aplica un filtro en un nivel del sistema de modo que el 60 Compensación capacitiva Hz no aumenta la tensión del sistema significativamente durante las condiciones de carga ligera. A menudo, un filtro de armónicos conmutada (en pasos de 50 izquierda, por ejemplo) se puede utilizar para regular la cantidad de 60 Hz y filtrado requeridos por las cargas cambiantes dinámicamente.

Estos filtros se instalan en un acuerdo de derivación en el lado de línea del AFD o en un bus común para varias cargas de unidad. El filtro sintonizado es un circuito corto o muy baja impedancia a la frecuencia "sintonizado". Para cargas de unidad, filtros sintonizados se afinan algo por debajo del 5 º armónico, que es el mayor componente de distorsión armónica. El filtro también puede absorber parte séptima de corriente armónica. Un séptimo filtro o filtros adicionales armónicas sintonizados a los armónicos de orden superior también se pueden utilizar. Más atención se necesita con la aplicación de filtros de armónicos sintonizados que con otros métodos. El filtro se puede sobrecargar si no se tiene cuidado para tener en cuenta todas las fuentes de armónicos en un sistema. Si AFD adicional o cargas no lineales se añaden sin filtrar, los filtros instalados anteriormente pueden sobrecargarse (por lo general se fusionan para la protección). Para aplicaciones industriales, un reactor de línea opcional que se utiliza en conjunción con el filtro reduce al mínimo la posibilidad de que esto ocurra y mejora el rendimiento del filtro (reactancia total se suelen dividir entre el reactor AFD / interna y reactor opcional).

Muchas veces, si se requiere una corrección de factor de potencia en un sistema de energía con fuentes de armónicos, un filtro de armónicos sintonizado se aplicará en lugar de los condensadores para suministrar los requisitos de potencia reactiva mientras que proporciona una frecuencia de resonancia predecible.

Ventajas

• Permitir un mayor porcentaje de las cargas del sistema AFD de reactores de línea y estrangulaciones
• Proporciona una corrección de factor de potencia
• Un filtro puede compensar múltiples unidades

Desventajas

• Mayor costo
• Dispositivo de montaje y de protección individual (disyuntor / fusible) necesario
• No puede reducir los niveles de armónicos por debajo de IEEE Std 519-1992 directrices
• Se necesita cuidado en la aplicación para garantizar que el filtro no estará sobrecargada
• Se requiere cuidado en la aplicación para asegurarse de que la compensación excesiva no aumentará la tensión
significativamente
• Podría provocar principales factores de poder en durante condiciones de carga ligera

Banda Ancha filtros de bloqueo

Estos filtros son similares a los filtros sintonizados, pero tienen algunas diferencias importantes de diseño. Como filtros sintonizados están conectados en paralelo a las cargas armónicas, Filtros de banda ancha están conectados en serie con la AFD y llevan la corriente a plena AFD. Esta diferencia proporciona protección adicional para la parte de potencia de entrada de la AFD. Filtros de banda ancha no requieren sintonización, mejorar el factor de potencia para el sistema y reducir al mínimo todas las frecuencias armónicas, incluyendo la tercera armónica. Además, evitan la resonancia del sistema y no están sobrecargados por los armónicos de otras cargas.

Ventajas

• Permite un mayor porcentaje de las cargas del sistema AFD de reactores de línea y estrangulaciones
• Proporciona una mayor protección de la entrada de AFD y sus semiconductores de transitorios en la línea
• Proporciona protección adicional para la parte de potencia de entrada AFD
• Proporciona sistema de corrección del factor de potencia
• Los filtros de bloqueo típicos simular 12/18 armónicos unidad de pulso

Desventajas

• Alto costo
• Montaje separado requeridos
• Requiere un filtro por unidad
• No puede reducir los niveles de armónicos por debajo de IEEE Std 519-1992 directrices
• Podría provocar principales factores de potencia durante las condiciones de carga ligera

18 Pulse Converter - Delta diferencial

Este método es similar a la de 12 pulsos convertidores, aunque en lugar de utilizar dos desplazar la fase de las fuentes de energía y puentes semiconductores, Se utilizan tres. Un fabricante utiliza un autotransformador herida especialmente (Delta diferencial) y 18 semiconductores entrada. Cuando se utiliza este arreglo, por encima 90% de las corrientes armónicas se cancelan (Típica distorsión de corriente armónica total de 2-3%).

Ventajas

• Prácticamente garantiza el cumplimiento con la norma IEEE Std 519-1992 - Excelente para las unidades >100 HP
• Proporciona una mayor protección de la entrada de AFD y sus semiconductores de transitorios en la línea
• Hasta 4 veces la reducción de armónicos de 12 métodos de pulso
• transformador pequeño que transformador de aislamiento utilizado en convertidor de 12 pulsos

Desventajas

• Mayor costo (pero un rendimiento mucho mejor)
• magnéticos más grandes y más pesados ​​que otros métodos

Filtros activos

Este método utiliza una sofisticada electrónica y la sección de los IGBT de potencia para inyectar armónicos iguales y opuestas sobre el sistema de energía para cancelar los generados por otras cargas. Estos filtros vigilar las corrientes no lineales exigidos de las cargas no lineales (tales como AFD) y electrónicamente generar corrientes que coinciden y se anulan los armónicos de corriente de carga. Filtros activos son inherentemente no-resonante y están fácilmente conectadas en paralelo con las cargas del sistema. Filtros de armónicos activos pueden ser utilizados para compensar los armónicos, armónicos y factor de potencia o, simplemente, para factor de potencia. También se pueden utilizar con condensadores de corrección del factor de potencia existentes sin preocupación por resonancia armónica.

Paralelo (el tipo más común) filtros de armónicos activos para compensar corrientes de carga armónicas.
Paralelo (derivación) filtros activos compensar la distorsión de la tensión causada por la carga mediante la cancelación de las corrientes de carga de armónicos. Serie filtros activos de armónicos compensar armónicos fuente (voltaje) pero no compensar corrientes de carga armónicas. Filtros de la serie se utilizan generalmente para proteger la carga de armónicos fuente perjudiciales mientras que los filtros de derivación están diseñados para proteger el sistema de los armónicos de carga. El filtro activo shunt se compensar armónicos y factor de potencia hasta su capacidad máxima y no puede ser sobrecargado.

 

Ventajas

• Garantiza el cumplimiento de IEEE Std 519-1992 si es del tamaño correcto
• La unidad de derivación no se puede sobrecargar aún cuando se agregan futuras cargas armónicas
• Cancelación armónica del 2 al 50 º armónico
• unidad conectada en derivación proporciona una fácil instalación sin mayores retrabajo sistema
• Proporciona reactiva (era) corrientes de mejorar el factor de potencia del sistema
• Puede ser diseñado en un MCC para compensar varios AFDs

Desventajas

• Por lo general más caros que otros métodos debido al control de alto rendimiento y las secciones de potencia
• Unidad Series debe estar dimensionado para la carga total de

Soluciones para Instalaciones Comerciales

En un 3-fase, 4-sistema de alimentación de alambre suministro de energía a las fuentes de alimentación conmutadas monofásicas (fuentes de alimentación de ordenador, por ejemplo) o la iluminación fluorescente, armónicos significativos (todos los armónicos impares, generalmente) de flujo en los conductores de fase, como resultado de la corriente no lineal dibujada por las cargas. En el conductor neutro, la tercera corrientes armónicas (y todos los múltiplos impares de la tercera armónica, 9ª, 15ª, etc. - También llamado triplens) de cada fase se suman y se pueden sobrecargar los conductores neutros, conexiones en tableros y transformadores si la situación no se resuelve. La corriente de neutro puede acercarse 175% de la corriente del conductor de fase.

Hay una variedad de formas para eliminar los armónicos o "vivir con" los armónicos resultantes. Cada solución tiene ventajas y desventajas económicas y técnicas.

Los siguientes son soluciones típicas y disponible comercialmente para los problemas asociados con la tercera armónicos en sistemas de energía.

Neutro filtro de bloqueo

Un filtro de bloqueo de neutro es un condensador y la combinación de reactor de que que está conectado en serie con el conductor neutro. Estos componentes son "paralelo resonante" en la tercera armónica que permite 60 Hz (carga normal) el flujo de corriente, pero son una muy alta impedancia para la tercera corriente armónica y no se permite la carga de "fuente" actual a esa frecuencia.

La aplicación de este tipo de filtro a un transformador de distribución bloquea todas las cargas aguas abajo desde
tercera generación de armónicos. Esto tiene el beneficio añadido de reducir la corriente de carga (rms) de todas las cargas y puede reducir significativamente las pérdidas en el transformador y conductores entre el transformador y las cargas.

 

Ventajas

• Reduce las corrientes neutras en más de un 80% (mediante la prevención de tercera flujo de corriente armónica)
• Disminuye rms fase actual 10-30%
• Libera capacidad inutilizada hasta en un 30%
• Elimina la tercera corriente armónica de todo el sistema neutrales, desde el transformador a
la salida más • Mejor potencial de ahorro energético

Desventajas

• Alto costo
• Clasificado para neutro del transformador de carga máxima esperada
• Puede aumentar la distorsión de la tensión en los terminales de carga.

Zig-zag Transformers (Trampas de secuencia cero)

Los terceros armónicos generados por cargas monofásicas no lineales reflujo durante todo el neutral compartida. Si el transformador no está diseñado para "manejar" las corrientes armónicas excesivas o si el circuito neutro aguas arriba no es de gran tamaño, los armónicos deben de tratar antes al transformador. Un transformador de zig-zag ya sea aplicado externamente (también llamada "trampa de secuencia cero") de un transformador delta-estrella o integrado en el propio transformador existente (la configuración del bobinado sería entonces delta zig-zag, típicamente), proporciona muy baja impedancia para tercera armónica (y los múltiplos impares de la tercera) corrientes.

La aplicación de un transformador de zig-zag o un delta / zig-zag transformador de distribución simplemente
proporciona una ruta alternativa para el tercero corrientes armónicas de corriente y no permiten que la corriente fluya a través del paso principal transformador. Esto reduce la distorsión de voltaje total aguas arriba del transformador y / o para otras cargas paralelas, en algunos casos, río abajo. Una bobina de red opcional se aplica a veces a reducir la actual división entre el transformador original y el nuevo transformador en zig-zag y para obligar a la mayoría de la tercera corriente armónica a través del zig-zag.

Ventajas

• Puede ser adaptado a los sistemas existentes o que se especifique en la nueva construcción, donde
Se espera que los armónicos de corriente monofásicas significativas.
• Puede o no puede aumentar el costo del sistema depende de manera significativa de la aplicación
y el diseño.

Desventajas

• Puede o no puede aumentar el costo del sistema depende de manera significativa de la aplicación
y el diseño.
• Permite que los armónicos de corriente, sino simplemente proporciona una trayectoria de baja impedancia de vuelta a la fuente.
• Puede aumentar la corriente de falla disponible mediante la reducción de la impedancia de secuencia cero.
• Puede aumentar los armónicos mediante la reducción de la impedancia de la fuente desde el punto de vista de la carga.

De gran tamaño Neutral, K-rated Transformers y / o transformador de potencia del

Entendiendo que la magnitud de la corriente en el circuito neutro puede acercarse 175% de la corriente en las fases significativas cuando armónicos de orden tercero están presentes, varios métodos se han desarrollado para "convivir" con el aumento actual sin tener que gastar una cantidad significativa de dinero. Estos métodos implican ya sea aumentando la capacidad armónica de los componentes del sistema eléctrico o de los componentes de calificación para dar cabida a las corrientes armónicas.

Uno de los métodos de calificación de los componentes del sistema eléctrico es duplicar el tamaño de la neutral
conductor. Esto implica incrementar el tamaño del conductor neutro a dos veces el tamaño de la fase
conductor en los circuitos donde se utiliza un "compartida neutro". Esto incluye tableros y circuitos neutros compartidos, tales como los que se encuentran en subcircuitos cubículo en edificios de oficinas, por ejemplo. Hoy, para muchas instalaciones cada circuito incluye un conductor de fase y su propio conductor neutro.

Por lo tanto, la única verdad "compartida" neutral está en el tablero y en el transformador. Sin embargo, para las instalaciones existentes, esto definitivamente no es el caso. Transformadores K-rated están diseñados para "vivir con" corrientes armónicas excesivas, manteniendo los valores típicos de impedancia como se ha descrito anteriormente en este documento (es decir, estos no son más que los transformadores de gran tamaño). Típicamente, los bobinados y neutros tienen un grado significativamente mayor en comparación con un transformador estándar y el estándar de conexión es delta / estrella. El devanado del triángulo se dice que "atrapar" los armónicos triplen (3ª y de múltiplos de la tercera) pero los dos juegos de bobinas deben estar clasificados para dar cabida a las corrientes armónicas.

Para los sistemas que suministran principalmente cargas de alimentación conmutadas, un K13 o K20 puede ser necesario con el fin de utilizar toda la capacidad nominal (kVA).

Finalmente, si un transformador se suministra principalmente cargas no lineales y el transformador no es un transformador de K-nominal o de otra manera transformadores diseñado para manejar armónicos, el transformador debe ser de-clasificado de acuerdo con la Recomendación del libro Emerald IEEE en la figura 14.

Ventajas

• Por lo general, estos son los métodos menos costosos de tratar con las corrientes armónicas en
el sistema de poder asumir que el sistema y otras cargas pueden hacer frente a la excesiva
distorsión de la corriente y / o voltaje. Dado que la mayoría de los transformadores no están típicamente cargados a su
kVA rating (transformador de carga típica está en el intervalo de 30-40%), reducción de potencia es a menudo el
solución más razonable y menos costosa.

Desventajas

• Todas estas soluciones simplemente "viven con" las corrientes armónicas en el poder
sistema. No reducen inherentemente la distorsión de corriente o voltaje.

Soluciones para la corrección de armónicos Factor de Potencia

Muchas veces, soluciones armónicas son sustituidos por los capacitores de corrección del factor de potencia. Los condensadores se aplican generalmente a un sistema de energía por una de tres razones:
• Mejorar el factor de potencia
• Aumentar la capacidad del sistema, especialmente en transformadores o cables (reduciendo kVA totales)
• Mejorar la eficiencia kW - I.E. reducir la corriente de carga total resulta en la reducción de las pérdidas I2R.

Cuando existen armónicos en un sistema de potencia con condensadores, resonancia armónica puede dañar los condensadores u otros componentes en el sistema de potencia. Además, armónicos suelen aparecer como componentes de potencia reactiva - es decir,. más armónicos = factor de potencia inferior

A veces, si usted está tratando de mejorar el factor de potencia, el resultado puede ser la resonancia armónica (un resultado negativo). A veces, si usted está tratando de reducir los armónicos que circulan en el sistema de potencia, puede mejorar realmente el factor de potencia (un resultado positivo). Se debe tener cuidado para entender la compleja relación entre los condensadores y los armónicos [4].

Evitar resonancia armónica

Con el fin de evitar la resonancia armónica sin embargo, corregir el factor de potencia, hay dos opciones disponibles:

1. Aplique otra forma de compensación kvar para corregir el factor de potencia. Otras soluciones armónicas que compensarán la fundamental (50 o 60 Hz) incluyen la corriente reactiva; filtros de armónicos, filtros activos y los filtros de la unidad de banda ancha series. Además, mayoría de las unidades actuales que utilizan un circuito rectificador de diodos en la parte delantera tienen un factor de potencia relativamente alta para soluciones de accionamiento con otras soluciones de mitigación de armónicos (reactores, 18 pulso, desplazamiento de fase, etc) tienden a mejorar el factor de potencia. Además, condensadores síncronos pueden proporcionar la corrección del factor de potencia y evitar la resonancia armónica.
2. Cambiar el tamaño de la batería de condensadores para compensar en exceso o insuficiente compensar la kvar requerida y vivir con la ramifications.Care debe tener cuidado para asegurarse de que este método no causa otros problemas (cuestiones especiallyovervoltage si sobrecompensación se hace).

La elección correcta depende realmente de la situación. Si una solución armónica podría aliviar la pena de factor de potencia y reducir los armónicos del sistema en general, tal vez esta es la mejor opción. De otra manera, simplemente cambiando el tamaño del condensador es típicamente la solución menos costosa, siempre y cuando la sobretensión que resulta de un exceso de compensación o la pena factorTransformer de energía resultante de debajo de compensación son aceptables.

Baja Tensión frente Soluciones de Media Tensión

Un factor importante para la aplicación de condensadores o soluciones armónicas para la corrección de factor de potencia es si la solución debe ser aplicada a la tensión baja (LV) o de media tensión (MV) nivel. Si la pena de factor de potencia es la única preocupación, una solución de media tensión suele ser la opción más conomical e para los bancos más grandes (típicamente > 1500 kVA). Además, resonancia armónica es a menudo más fácil de evitar en el sentido de que el nivel MV condensadores rectas se pueden aplicar. Sin embargo, para los bancos de etapas múltiples, MV conmutación añade un coste significativo y por lo tanto, los bancos en MV tienen típicamente etapas fijos conmutación más grande o más.

Si la mejora de la capacidad del sistema o la mejora de la eficiencia kW son preocupaciones significativas, a continuación, la aplicación de soluciones LV es siempre la opción más económica. Además, para los requisitos de kvar más pequeños, Bancos LV son casi siempre la solución más económica.

¿CÓMO PUEDEN REDUCIR ARMÓNICOS AHORRAR DINERO?

Corrección de un problema de armónicos puede ahorrar dinero de manera evidente si el problema causó daños físicos al equipo o mal funcionamiento de los equipos. El alivio de estos temas muestran una recuperación inmediata si el daño o el costo asociado con el error de operación son más importantes que el costo de la solución. Otras cuestiones sutiles pero a veces significativo surgen como resultado de corrientes armónicas que fluyen a través del sistema de alimentación distorsionar el voltaje. Estas cuestiones se relacionan principalmente con los costos asociados con la reducción de la eficiencia de los equipos del sistema eléctrico que opera a frecuencias distintas de la 50 o 60 Hz para el que fueron diseñados.

Las siguientes son algunas maneras en que los armónicos que pueden costar dinero sin que te des cuenta.

1. Transformers, motores, generadores, cables y sistemas de UPS son a menudo más diseñados cuando hay armónicos y el costo asociado con este diseño es más o pueden ser significativos.

Consideremos el siguiente ejemplo.

Si un generador de reserva es de tamaño para el kW o kVA de carga y los suministros de energía a cargas armónicas, la distorsión de la tensión resultante será sustancialmente mayor que cuando las mismas cargas son suministrados por la fuente de servicio público (transformar). Figura 15 muestra la diferencia entre la distorsión de la tensión cuando la fuente es la utilidad de copia de seguridad en comparación con el generador. Tenga en cuenta que el generador tiene típicamente al menos tres veces la impedancia del transformador causando significativamente más distorsión. Por esta razón, generadores son a menudo de gran tamaño de "manejar" la distorsión de la corriente aumentando el costo de generación por kW de carga.

2. las pérdidas en los cables kW, transformar, generadores y motores son significativos si tenemos en cuenta que la raíz cuadrada de la media (rms) corriente puede ser general 10-40% mayor con la presencia de armónicos de lo que sería con el del 50 o 60 Corriente Hz haciendo el "trabajo". La reducción de la corriente armónica de cargas posteriores (usando un filtro de bloqueo en un circuito con cargas armónicas tercera sustanciales, por ejemplo) puede reducir las pérdidas del sistema por 3-8%. Los ahorros asociados con esta reducción de las pérdidas típicamente pueden pagar por la solución en un periodo de tiempo razonable.

3. Si la tensión del sistema se distorsiona como resultado de cargas armónicas significativas, y una cantidad apreciable de tensión "secuencia negativa" está presente (5º armónico, por ejemplo), motores se dibuje una quinta corriente armónica. Esta corriente produce un torque pulsante inversa y oponerse dirección preferida de los motores 'que el motor debe superar para hacer su trabajo requerida.

Constantemente lucha contra este par inverso hace que el motor caliente y muy ineficiente. Prematuras fallas del motor y las pérdidas sustanciales resultarán. En este caso, la distorsión de la tensión debe ser corregida, pero puede no ser inmediatamente evidente que existe un problema incluso.

4. Factor de potencia baja, como resultado de corrientes armónicas puede contribuir a una pena de factor de potencia de la utilidad. Dependiendo del método de cálculo que utiliza la utilidad, el factor de potencia total (incluyendo armónicos) o el factor de potencia de desplazamiento (fundamental de tensión y la corriente sólo) puede dar lugar a una diferencia significativa en el factor de potencia en su factura. Como se señaló anteriormente, distorsión armónica significativa a menudo resulta en un bajo factor de potencia total y el resultado puede ser una pena impuesta factor de energía de la red hoy en día o en el futuro.
VTHD = 2.3% VTHD = 5.8%
Utilidad Fuente Fuente del generador

SOLO CARGA VERSUS ENFOQUE DE SISTEMAS PARA SOLUCIONES DE ARMÓNICOS

La decisión de aplicar una solución armónica sobre otro es generalmente una solución económica sino que también depende en gran medida la eficacia de la solución. Mesa 2 muestra la eficacia "general" de las diferentes soluciones armónicas. Para cada solución se muestra la ITHD típica resultante. Por ejemplo, un reactor de línea es ciertamente mucho menos costoso que un filtro activo, pero un reactor de línea típica sólo reducirá los armónicos de corriente de aproximadamente 35% mientras que un filtro activo se reducirá la distorsión de la corriente a menos de 5% asegurando que lo más probable es que se eliminan los problemas de armónicos.

Figura 16(un) y 16(b) demostrar el costo de varias soluciones armónicas para una sola carga frente a un enfoque de sistemas. Figura 16(c) muestra que cuando se añade el coste de una unidad para el costo de varias soluciones, el coste de las soluciones son mucho más comparables y la eficacia de cada solución se convierte en los criterios de decisión claves.

Resumen

Tablas 2 y 3 resumir las soluciones armónicas discutidos en este documento. Mesa 2 define las soluciones en relación con la corrección armónica tipo de equipo y la tabla 3 describe las soluciones con referencia a cargar tipos. Las tablas indican las ventajas más significativas y desventajas de cada tecnología. Detalles de otras ventajas y desventajas de cada solución se muestran en el cuerpo principal de este documento.

La decisión para la aplicación de soluciones de armónicos en baja tensión o media y si esa solución debe ser aplicada a una carga individual o como una solución "sistema", depende de la economía de la situación, así como la eficacia de la solución(s). Cada solución ha dado mérito diferentes circunstancias. Al seleccionar la solución adecuada requiere experiencia con cada tipo de tecnología para asegurarse de que es la mejor solución técnica y económica para la aplicación.

Referencias

1. D. J. Carnovale, "La aplicación de soluciones armónicas a Comercial e Industrial Power Systems." Globalcon, 2003, Boston, Massachusetts.
2. EEE estándar 1100-1999 - IEEE Práctica Recomendada para la alimentación y puesta a tierra Equipos Electrónicos (Emerald Book)
3. Norma IEEE 519-1992 - IEEE prácticas recomendadas y requisitos para armónica
   Control de sistemas de energía eléctrica
4. D. J. Carnovale, "La corrección del factor de potencia y resonancia armónica: Una mezcla volátil,"EC&M
   Revista, Junio, 2003.
5. T. Clave y J. Que, "Costos y beneficios de la reducción de armónicos de corriente para alimentación conmutada suministros en un edificio de oficinas comerciales,"En IEEE Transactions on Industry Applications, Vuelo. 32, No 5, Septiembre / octubre 1996.
6. J. K. Piel y D. J. Carnovale, "Beneficios Económicos y eléctrica de los métodos de reducción de armónicos en las instalaciones comerciales." EPRI PQA 2003, Monterey, California
7. IEEE P519A - Proyecto 7. Grupo de Trabajo de Armónicos - "Prácticas recomendadas y la Guía para la aplicación de los límites de armónicos en sistemas de energía",