Variable-frecuencia-drive- (VFD-) armónicos generados en gran medida es un percibidos, más que real, cuestión. En 27 años de la aplicación de VFD en climatización y otras aplicaciones, este autor ha experimentado sólo un puñado de problemas de armónicos reales, con todos menos uno derivado de altos niveles de distorsión de voltaje, no la distorsión de la corriente que ha estado recibiendo mucha atención últimamente.
La mayoría de los problemas de interferencia VFD-este autor ha encontrado han sido el resultado de una mala instalación - en particular, pobres de cableado y conexión a tierra. En la mayoría de los casos, interferencias de radiofrecuencia (RFI) o la interferencia electromagnética (EMI), no armónicos, era el culpable. Cuestiones RFI / EMI derivan de ruido en el rango de 50-Khz a bajo megahercios, no el séptimo rango de 300 Hz quinto o 420 Hz armónica.
HISTORIA
En 1981, ANSI / IEEE 519, Guía de IEEE para el Control de armónicos y reactiva de Compensación de convertidores estáticos de potencia, fue publicado. Incluía máximo total de armónicos de voltaje distorsión (THDEn) recomendaciones.
En sumo grado, distorsión de la tensión puede causar-aplanamiento de las formas de onda de voltaje del sistema de potencia (Figura 1), que puede hacer que los procesadores electrónicos sensibles a sentirse confundidos y mal funcionamiento.
En 1992, ANSI / IEEE 519 fue revisado. Renombrado Prácticas IEEE recomendados y los requisitos para el control de armónicos en sistemas de energía eléctrica, ahora se concentra más en la distorsión total de armónicos (THD1) de distorsión de la tensión.
THD1 se puede propagar a través de transformadores step-down/step-up utilidad y hacer su camino de un centro a otro. Por ejemplo, hace varios años, un fabricante VFD estaba creando grandes cantidades de distorsión de la corriente durante el funcionamiento de prueba de quemado. La distorsión de la corriente viaja a través de los transformadores de servicios públicos en la planta del fabricante VFD a la alimentación de utilidad en una planta de impresión en la vecina, corromper a los circuitos lógicos en los controles y de corriente continua (Corriente continua) unidades que trabajan dentro de la imprenta de la planta de impresión y causando la inscripción imprenta a un mal funcionamiento.
THD1 resultados en calor adicional en los transformadores de distribución típicas que ofrecen los servicios públicos, , así como los cables de la fuente de alimentación-del equipo desde el que se origina. Fundamentalmente, THD1 es corriente que una utilidad tiene para generar y fuente de una instalación, pero eso trae ningún ingreso a la utilidad. Si bien es un problema real para los servicios públicos, THDI gran parte es un problema que se percibe desde el punto de vista de un gerente de la instalación.
ANSI / IEEE 519-1992 aborda la naturaleza del sistema-tema de THD1 introduciendo una distorsión total de la demanda (TDD), que se puede calcular de la siguiente manera:
donde:
Yoél = Corriente armónica total medida por el sistema
Yohc = Corriente armónica total aportado por VFD
YoLa = Corriente máxima demanda de carga (componente de frecuencia fundamental) (15- o la demanda de 30 min) en el punto de acoplamiento común utilidad (PCC) tal como se mide en el sistema de
YoC = Componente de frecuencia fundamental aportado por vfds (incluidos sólo si vfds son una adición a las cargas existentes)
(Todas las cantidades están en la raíz cuadrada media amperios.)
ANSI / IEEE 519-1992 estados, "Dentro de una planta industrial, PCC es el punto entre la carga no lineal y otras cargas. "Muchos ingenieros consultores han interpretado esto como que THD1 se va a medir en las conexiones de entrada de potencia VFD (PCC2, en lugar de PCC1, en la figura 2). Esta mala aplicación de la norma ANSI / IEEE 519-1992 ha contribuido a la sobreexplotación de las unidades multipulso en la industria HVAC. Muchos millones de dólares instalación de equipos se han derrochado a través de la especificación y la instalación de 12- y las unidades de 18 pulsos en edificios de oficinas comerciales y otros entornos en los que una unidad de seis pulsos estándar hubieran hecho el mismo trabajo por un costo sustancialmente menor por adelantado.
También lamentable es el hecho de ANSI / IEEE 519-1992 tiene cinco niveles diferentes de máxima TDD aceptable, que dependerá de la relación de la corriente máxima de cortocircuito (YoSC) al máximo queLa en un PCC. El ISC-a-meLa relaciones de la Tabla 1 son funciones de la fuerza de alimentación de una utilidad para una instalación y el tamaño del transformador de subestación.
SITUACIÓN ACTUAL
Muchas especificaciones limitan a afirmar, "VFD se reunirá ANSI / IEEE 519." Tal afirmación no tiene sentido sin la información necesaria para realizar cálculos de armónicos:
- Transformador kilovoltios-amperios y el porcentaje de impedancia.
- Lineal total del amperaje de carga conectada o total de amperaje lineal conectado esperada.
- El número y tamaño de los VFD.
- Utilidad ISC disponible.
Los cálculos son aún más preciso cuando los fabricantes tienen información adicional, como corriente total facilidad, contenido armónico existente, y tamaños de cable y longitudes.
Algunos ingenieros han llevado a la escritura de las especificaciones de hardware basadas en los requisitos de tamaño de caballos de fuerza. Por ejemplo: "Todos los variadores de frecuencia 100 hp y hasta será diseños de 18 pulsos. "En 100 hp, una unidad de 18 pulsos fácilmente puede costar cuatro veces más que una unidad de seis pulsos con ninguna mejora en el ahorro de energía.
Esto no quiere decir que no hay aplicaciones para que un 12- o una unidad de 18 pulsos es apropiado. Tomar, por ejemplo, una estación de bombeo de bloques de hormigón en una zona residencial. Este autor observó una en la que había tres VFD 300 caballos de fuerza, iluminación fluorescente generales, y un controlador lógico programable montado en la pared (PLC). La estación de bombeo fue alimentado por un dedicado 480-v transformador. Prácticamente toda la carga en el transformador no lineal era. La carga no lineal VFD representó aproximadamente 1,100 amperios. Las cargas del PLC y fluorescentes de luz sumaron un par de amplificadores. Esa fue una aplicación ideal para 18 pulsos u otra tecnología VFD ultra-armónica.
En un edificio de oficinas comerciales, si VFD están instalados en todos los ventiladores y bombas, se utilizarán típicamente menos de 20 por ciento de la carga de demanda eléctrica. En casi todos estos casos,, unidades de seis pulsos estándar son una buena opción.
Contrariamente a la creencia popular, ANSI / IEEE 519 no es una ley o regulación gubernamental / utilidad; se trata de una "práctica recomendada". Afirma que la adhesión estricta a sus límites armónicos recomendadas "no siempre es prevenir los problemas que surjan." Lo contrario también es cierto: Un centro puede tener armónicos superiores a los límites recomendados máximos de la norma y no experimentar dificultades.
TECNOLOGÍAS
El método más simple y menos costoso de mitigar los armónicos generados VFD es la adición de impedancia a un VFD. Esto se puede lograr con un reactor de línea de entrada (Figura 3) o un reactor de enlace de CC (estrangulador bus) (Figura 4). En un sistema con 1 por ciento-source-impedancia, un reactor de línea de 3 por ciento puede reducir el contenido de armónicos de corriente en la entrada a un VFD a alrededor 40 por ciento en la salida a plena carga.
El más común siguiente tipo de tecnología de mitigación de armónicos es la VFD de 12 pulsos (Figura 5). Un variador de frecuencia de 12 pulsos reduce el contenido de armónicos de corriente a alrededor 10 por ciento.
También comunes son de banda ancha y filtros pasivos (Figura 6). Estos filtros híbridos reducen el contenido de armónicos de corriente a aproximadamente 7 por ciento.
La tecnología de la próxima más efectiva es la unidad de 18 pulsos (Figura 7), que por lo general se presenta aproximadamente 5 por ciento de distorsión de la corriente en las entradas VFD. En comparación con un variador de frecuencia sin impedancia, reducción armónica total está en el intervalo de 93 por ciento.
Relativamente nuevas tecnologías son el filtro de armónicos activo (Figura 8) y el VFD-front-end activo (Figura 9). Un solo filtro activo puede filtrar los armónicos de varios variadores de frecuencia o una instalación completa. Mientras tanto, el contenido THDI de un VFD con un frente activo - medido en la entrada VFD - por lo general es menor que 4 por ciento, mientras que la reducción total de armónicos de corriente contenido es 95 por ciento.
Mesa 2 enumera la distorsión de la corriente esperada, por ciento de reducción de corriente de distorsión, y el coste relativo de las diversas tecnologías de reducción de armónicos. Las estimaciones se basan en un sistema de 1 por ciento-source-impedancia y una tensión de alimentación perfectamente equilibrada.
Todo basado en hardware, métodos de "fuerza bruta" de reducción de armónicos se ven afectadas negativamente por los desequilibrios de tensión de alimentación del sistema de entrada. La mayoría de los fabricantes de VFD tienen programas de ordenador que se pueden utilizar para estimar la distorsión armónica de VFD.
Cuanto mayor sea la carga de base en un transformador de la subestación, menor será la distorsión de la corriente en un PCC. Debido a la distorsión armónica de corriente provoca un calentamiento del transformador adicional, transformadores de las subestaciones de servicios públicos a menudo de gran tamaño en relación con la carga que se espera de un establecimiento. A consecuencia, tener la carga correcta del transformador máxima (estimado o medido) es de vital importancia. De otra manera, transformador máximo queLa deberá ser asumido.
LA Dirty Little Secret
La mayoría de los programas de análisis de armónicos asumen el poder disponible es una tensión equilibrada - por ejemplo,, 480 V cada uno en la Fase A, Fase B, y la Fase C. En el mundo real, sin embargo, no importa lo bien diseñado, un sistema de distribución del edificio es, equilibrio perfecto es inalcanzable. Lo mejor que se puede esperar es un ligero desequilibrio, tal como 478:480:482 en. La mayoría de las utilidades permiten desequilibrios de energía-tensión de hasta 3 por ciento.
Hace muchos años, en una universidad grande en el Medio Oeste, los variadores de frecuencia previstas en un proyecto de modernización de ahorro de energía se culpaba a los edificios que superen los niveles de distorsión recomendadas en la norma ANSI / IEEE 519. El análisis armónico mostró el contenido de tercera armónica sustancial. En un mundo perfecto, VFD no crean tercer armónico, como tercera y otros armónicos Triplen cancelan debido a la naturaleza de tres fases de VFD. Si, sin embargo, la relación de voltaje entre las fases A, B, y C es desequilibrada, cancelación no puede ocurrir por completo, y VFD pueden crear armónicos Triplen. En este caso, La fase A fue de aproximadamente 450 en, mientras que las fases B y C estaban cerca 480 en. Se pidió a la universidad para mover cargas para obtener la tensión de entrada a un estado más equilibrado. Una vez hecho esto, los variadores de frecuencia se detuvo causando que los niveles elevados de distorsión armónica.
A mediados de la década de 1990, el Centro de Aplicaciones de Electrónica de Potencia, una filial del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica, probado las unidades de 17 Se encontró manufacturers.1 Un desequilibrio de tensión de 0,2 por ciento en los terminales de entrada de un variador de frecuencia sin reactancia de línea de entrada o inductancia de CC-bus a causar hasta un desequilibrio de corriente de 17 por ciento.
Con un sistema de entrada de potencia desequilibrada, todas las tecnologías de mitigación de armónicos basados en hardware están sujetas a efectos armónicos cancelación perjudiciales. Por ejemplo, un transformador de desplazamiento de fase de 12 pulsos tiene tres cables de entrada y seis cables de salida y dos componentes: un conjunto de bobinado delta / delta y un conjunto de bobinado Delta-Estrella (Figura 10). Esta configuración provoca un desplazamiento de fase eléctrica de 30 grados en el poder introducirlo en uno de los dos puentes de diodos de la unidad, causando, en un mundo perfecto, armónicos quinto y séptimo de ser cancelados. Si la entrada no es equilibrada, sin embargo, cancelación no se producirá por completo.
Algunos fabricantes suministran VFD unidades de 18 pulsos con un reactor de impedancia de 5 por ciento adicional delante del transformador de auto. Esto ayuda a equilibrar el consumo de corriente en el transformador de auto tres juegos de bobinas y ayuda a minimizar los efectos de la alimentación de tensión desequilibrada y de origen.
ASÍ QUE NO ES UN MUNDO PERFECTO - ¿Y AHORA QUÉ?
El medio más eficaz de obtener armónicos ultra bajas en las entradas VFD es un filtro activo o un frente activo. Un filtro activo funciona como un auricular de reducción de ruido activa. Si, por ejemplo, detecta un 30 amperios quinta armónica en la Fase A de una fuente de alimentación, inyecta 30 amperios quinto armónico 180 grados fuera de fase con el armónico VFD-creado, creando un efecto de cancelación. Esta tecnología es menos susceptible a los desequilibrios entrante tensión, ya que mide e inyecta contenido armónico correctivas automáticamente.
A pocos fabricantes hacen las tecnologías VFD ultra-armónicas. Un VFD-ultra armónico tiene seis de puerta aislada transistores bipolares (IGBT), en lugar de componentes de diodo de puente pasivos, en su sección de convertidor (Figura 11). Estos IGBT controlan la corriente armónica dibujado por un variador de frecuencia. Con ausencia de corriente armónica dibujado, no se requiere la cancelación. Tecnología de ultra bajo armónico típicamente reduce las corrientes armónicas de entrada a 4 por ciento o menos en una entrada VFD (Mesa 2).
En una prueba, un desequilibrio de tensión de 3 por ciento en la entrada de un transformador / unidad 18 pulsos causó un aumento de 1,5 por ciento por unidad de distorsión de corriente. Así, si el equipo de estimación armónica-análisis había sido 4 por ciento, THDI real habría sido 5.5 por ciento.
Con un sistema de ultra-armónica o activa-filtro, un desequilibrio de tensión de 3 por ciento aumenta la distorsión armónica de corriente de menos de 0.5 percent por unit.
CONCLUSIÓN
Un análisis armónico se debe realizar antes de finalizar un diseño. El análisis debe llevarse a cabo en el PCC para determinar la distorsión de corriente en la entrada principal del servicio de utilidad a un edificio. Especificaciones basadas en hardware dictando que las unidades mayores de cierta potencia serán una determinada tecnología no deben ser utilizados.
REFERENCIA
1) Mansoor, A., Phipps, K., & Hierro, R. (1996). Investigación Compatibilidad del sistema: Cinco caballos de fuerza pwm variadores de velocidad. Knoxville, TN: Aplicaciones Power Electronics Center.
Por último HPAC Ingeniería artículos de fondo, visita www.hpac.com.
El gestor de aplicaciones de HVAC para ABB Inc. Poder & Ventas de Control, Michael R. Olson tiene una amplia experiencia en el HVAC, / aguas residuales de tratamiento de agua, y las industrias químicas. Ha escrito numerosos artículos comercio de revistas discutir la aplicación de variadores de velocidad y ha sido editor colaborador de varios libros sobre el tema. Él tiene una licenciatura en ingeniería eléctrica de la Universidad de Illinois y una maestría en administración de ingeniería de la Escuela de Ingeniería de Milwaukee. Es miembro de la Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado Ingenieros y BACnet Internacional. Él puede ser contactado en mike.olson @ us.abb.com.
