1. Introduction

En raison de la large application de charges non-linéaires, harmoniques pollution est l'une des principales préoccupations pour les systèmes d'alimentation. Bien que de grands progrès ont été réalisés en matière d'atténuation des harmoniques par les fabricants de dispositifs non linéaires, installations de l'industrie et des entreprises de services publics, des problèmes d'harmoniques graves peuvent encore être présents dans les systèmes d'alimentation électrique en particulier lorsque les conditions malades se produisent soit causé par les sociétés de services publics ou par les utilisateurs finaux dans les installations industrielles.

Variateurs de fréquence (VFD) sont le plus largement utilisé dans les installations industrielles. Harmoniques caractéristiques définies par IEEE std. 519-1992 sont basés sur différentes configurations de système d'EFV[1]. Sauf certaines charges spéciales telles que des fours à arc[1] et les systèmes de traction ferroviaires qui produisent des harmoniques paires et autres harmoniques non caractéristiques dans le système, la plupart des installations industrielles avec VFD n'ont harmoniques caractéristiques et une petite quantité d'harmoniques non caractéristiques qui sont généralement dans les limites et même Triplen harmoniques proposées par IEEE std. 519-1992. Donc, lorsque grande quantité d'harmoniques non caractéristiques sont présentes dans un système d'alimentation, cela indique généralement que le système est malsain et que le dépannage est nécessaire pour déterminer les causes profondes du problème.

Harmoniques non caractéristiques sont étudiées dans[2-9]. Il est expliqué dans[2] que les harmoniques non caractéristiques sont causées par amplitude de tension déséquilibrée ou phase non-symétrie. L'amplitude des harmoniques non caractéristiques augmente avec la tension non-symétrie.

Deux cas sont étudiés dans le présent document pour deux installations industrielles montrant forte teneur en harmoniques non caractéristiques. Le premier cas est un système d'alimentation de l'exploitation minière avec deux redresseurs évalué à 12 MW chacune et d'un ensemble de filtres d'harmoniques installé. Une enquête approfondie est menée pour ce système basé sur deux mesures et les résultats de simulation sur ordinateur. Le second cas est un système de distribution de champ de pétrole avec de multiples EFV. La question de ce système est que les signaux de courant à l'entrée du VFD sont gravement déformés.

2. Caractéristiques et non caractéristiques Harmoniques de redresseurs

IEEE std. 519-1992[1] propose courants harmoniques générés à un pont redresseur pour une condition idéale. "Idéal" est basée sur l'hypothèse que le courant continu et n'a pas d'ondulation du courant continu est transmis d'une phase à l'autre l'instant où la tension sur la phase entrante dépasse la tension sur la phase sortante[1]. Les composantes de courant harmonique pour condition idéale sont dérivées par les équations suivantes[1]:

où,

h : harmonique

k et m : un entier positif quelconque

q : nombre d'impulsions du circuit redresseur

Je_h: l'amplitude du courant harmonique de rang h

Je₁ : l'amplitude du courant fondamental

Pour un redresseur à 6 impulsions ou d'un entraînement à fréquence variable (VFD), les courants harmoniques caractéristiques sont 5, 7, 11, etc. Pour EFV utilisant la technique de multiplication de phase tel que 12 impulsions et à 18 impulsions d'harmoniques d'entrée atténuante, certains courants harmoniques peuvent être annulés par rapport aux disques 6 impulsions. Comme l'affirme dans IEEE Std 519-1992, si les articles m à six impulsions redresseur [1]:

• Avoir le même rapport de transformation
• Avoir des transformateurs avec des impédances identiques
• Sont déphasés exactement 60 / m degrés de l'autre
• Sont commandés à exactement le même angle de retard, et
• Partagez le courant de charge à courant continu aussi

Table 1. limites de distorsion harmonique de tension basé sur IEEE std. 519-1992

Table 2. Actuelles limites de distorsion harmonique basé sur IEEE std. 519-1992

Ensuite, la seule présence d'harmoniques à l'entrée de l'entraînement sera de l'ordre de ± kq 1 comme représenté dans l'équation (1). Par exemple, harmoniques caractéristiques des systèmes VFD 12 impulsions en phase deux redresseurs décalés de 30 ° sont 11,13, 23, 25^e,... Pour les systèmes VFD 18 impulsions en phase trois redresseurs décalée de 20 ° la plus basse harmonique caractéristique est 17^e. Pour les systèmes VFD 24 impulsions en phase quatre redresseurs décalé par mentionnés dans[1] que deux sections de redresseurs sont identiques à tous ces égards. Donc, harmoniques non caractéristiques seront toujours présents dans la mesure où les exigences ci-dessus ne sont pas respectées dans la pratique.

IEEE std. 519-1992 propose les limites de distorsion harmonique recommandées (Tableaux 1 et 2), qui sont largement acceptés par diverses industries. Il est précisé dans le tableau 2 que les harmoniques paires sont limitées à 25% des limites harmoniques impaires de la table[1].

Dans un redresseur à 6 impulsions ou d'un entraînement à fréquence variable (VFD), les courants harmoniques caractéristiques sont 5, 7, 11, etc. Pour EFV utilisant la technique de multiplication de phase tel que 12 impulsions

3. Cas 1: Même harmoniques

Même harmoniques sont généralement présents en très petites quantités et ne sont pas un sujet de préoccupation pour les systèmes d'énergie dans des conditions normales de fonctionnement. Cependant, grande quantité d'harmoniques même pourrait être générée dans certaines conditions malades tels que les défaillances de l'équipement. La situation pourrait être amplifié si le système contient des filtres harmoniques qui pourraient exciter une résonance harmonique pair.

Etude de cas 1 Résout un problème même harmonique grave s'est produit dans une grande installation minière composée de deux grands redresseurs à 6 impulsions nominale de 12 MW chacune. La configuration du système est représenté sur la Figure. 1.

Figure 1. La configuration du système pour le cas 1.

Grands courants harmoniques paires ont été détectés à tions emplacements clés du système Mars 2004. Grand 3^e loyers cur harmoniques ont également été trouvés. Ces harmoniques paires élevées causent de graves préoccupations et une enquête a été effectuée pour trouver la cause racine du problème.

En raison de la grande quantité d' 2, 3et les courants 4harmonic comme indiqué dans les figures. 8 et 9, les formes d'onde de courant aux deux redresseurs en chiffres. 6 et 7 ne montrent pas la forme de la forme d'onde typique de redresseurs à 6 impulsions. Aux fins de comparaison, les courants harmoniques dominantes aux points de mesure sont résumées dans le tableau 3. Courants harmoniques dominantes mesurées aux deux redresseurs en Avril 2002 sont également inclus dans le même tableau.

Table 3. Mesuré les spectres courants harmoniques Mars 2004 et Avril 2002 au lieu clé de l'installation.

Table 3 indique que 16.8% et 34.3% 2courants harmoniques nd en pour cent de la base ont été générés par redresseurs 1 et 2 in Mars 2004, respectivement. La 4^e courants harmoniques sont les deuxièmes harmoniques pairs présents dans la quantité d' 8.1% et 6.9% du fondamental pour redresseurs 1 et 2. Les deux redresseurs également produits grand 3^e courants harmoniques dans la quantité d' 4.8% et 17.2% du fondamental. La 3^e courants harmoniques seront abordés séparément dans la section suivante pour le cas 1.

Courants harmoniques caractéristiques et non caractéristiques sont en amont des redresseurs coulent. Ils ont d'abord par CB6, l'alimentation principale des deux redresseurs, thendistributed à d'autres parties du système de distribution. Certains harmoniques caractéristiques telles que la 5e courants harmoniques sont réunis au bus commun, "Bus principal Rectifier", et la plupart d'entre eux ont été annulées en raison du décalage de phase des deux transformateurs. Comme le montre le tableau 3, la 5^e courant harmonique est 24.8% à Rectifier 1 et 17.1% à Rectifier 2, la majeure partie de l' 5^e courants harmoniques sont annulés au bus principal Rectifier, et l' 5^e courant harmonique ne reste plus qu'à 1.8% à CB6.

Comme par les harmoniques non caractéristiques, la 2^e courant harmonique est diminué à 12.2% du fondamental à l'origine de CB6 16.8% et 34.3%, qui est réduite. Cependant, la 4^e les augmentations de courant harmonique à 26.9% de la fondamentale de l'origine 8.1% et 6.9%. De même, la amplifiée 4^e courant harmonique, 15.4% du fondamental, est également trouvé à CB3. La cause de l'amplification de l' 4^e courant harmonique sur le circuit électrique en amont est étudiée en effectuant l'étude harmonique et résonance.

L'analyse par résonance indique qu'en raison de la liaison des deux groupes de filtres d'harmoniques, les points d'impédance de crête créés sont situés à l' 4^e fréquence harmonique (240Hz pour le système de 60 Hz.). Etant donné que les redresseurs généré une quantité importante de courants harmoniques paires, résonance grave et amplification ont eu lieu et ont abouti à grand 4^e des courants harmoniques circulant dans le système. Les caractéristiques de réponse de fréquence du système à l' 10 kV "Rectifier bus principal" sont présentés dans la figure. 10. La courbe caractéristique de réponse en fréquence à 10 kV "Main Bus" connectée au secondaire du transformateur de 25MVA est très similaire à la figure 10.

Figure 10 indique en raison de la connexion de l' 5^e, 7^e, 11^e, et 13^e filtres harmoniques simple écoute un peu ce que les points d'impédance de pointe situées à 240Hz, 360Hz, 480Hz et 720Hz sont créées. Pour un système de 60Hz, Ces fréquences correspondent à l' 4^e, 6^e, 8^e et 12^e harmoniques. Les points d'impédance de crête sont également connus en tant que points de résonance. La 4^e et 6^e courants harmoniques dans le tableau 3 sont considérablement augmenté au CB6, ceci est le résultat de l'harmonique resonance.The 8^e et 12^e courants harmoniques dans le tableau 3 ne montrent pas d'amplification évidente à CB6 parce que l'inductance des deux transformateurs de 7MVA les redresseurs branches bloquer une partie de ces ordre supérieur même courants harmoniques en passant par le système en amont.

Le spectre harmonique de courant pris à l'un des grands droits-teurs en Avril 2002 montre le contenu harmonique de la recti-teurs dans des conditions normales de fonctionnement (Table 3). On constate que les harmoniques non caractéristiques, y compris la deuxième, 3e, 4e, 6e etc étaient très petite à l'époque.

L'analyse indique que les deux redresseurs génèrent grande quantité d'harmoniques non caractéristiques. Courants harmoniques Thenon-caractéristiques de la 4ème, 6fréquences harmoniques e sont amplifiées en raison de résonance parallèle dans le système. C'est la raison pour laquelle un 26.9% 4^e a été détecté un courant harmonique t la 10 kV "Rectifier bus principal", CB6. Il est très probable que d'un dysfonctionnement sur les redresseurs a provoqué le problème d'harmoniques non caractéristiques.

Dépannage ultérieur des redresseurs vérifie qu'un dysfonctionnement sur les redresseurs causé ce problème. Le dysfonctionnement a été corrigé, la grande quantité de courants harmoniques non caractéristiques disparu du système.

Figure 10. Réponse en fréquence caractéristique à 10KV "Rectifier bus principal".

4. Cas 1: Harmoniques tiers

De grandes quantités de 3^e harmoniques ont également été trouvés dans l'affaire 1 au cours de la défaillance des des redresseurs Mars 2004 (Table 3). Le pire des cas est à Rectifier 2 avec 17.2% de 3^e courant harmonique. La 3^e courant harmonique est également apparu dans le circuit en amont de CB 6 et CB 3.

Références[8,9] fournir l'explication que dans les conditions de tension de service déséquilibre, harmoniques Triplen comme le 3ème et le 9ème courant harmonique peuvent apparaître au niveau des convertisseurs ou redresseurs. Deux exemples sont donnés dans[9] avec des conditions de déséquilibre de tension de ligne à l'aide d'un 460V 30kVA VFD. La 3^e les courants harmoniques en pour cent de la fréquence fondamentale sont 19.2% et 83.7% correspondant à 0.3% et 3.75% tension de la ligne déséquilibre, respectivement. Pour le cas où il n'y a pas de déséquilibre de tension de ligne évident, la 3^e courant harmonique est 2.1% pour le même entraînement[9].

Basée sur le même principe, la 3^e courants harmoniques présentés aux redresseurs dans l'établissement minier de Mars 2004 ont également été causés par la tension de la ligne déséquilibre. Les trois tensions de CB phase-phase 8 pour Rectifier 2 ont été mesurés pour 6 heures avec un point de mesure à chaque minute sur Mars 17 2004. Le déséquilibre de tension de ligne est calculée pour chaque point de mesure,. La méthode de calcul de déséquilibre de tension est basée sur une équation fournie dans[4]. Selon[4] le déséquilibre de tension en pour cent est définie par la National Electrical Manufacturers Association (NO)

dans la publication des normes ne. MG 1-1993 comme suit:

On notera que les tensions de ligne sont utilisés dans la présente norme NEMA, par opposition à des tensions de phase. Lorsque les tensions de phase sont utilisés, l'angle de phase de déséquilibre ne se reflète pas dans le % Déséquilibre et donc des tensions de phase sont rarement utilisées pour calculer le déséquilibre de tension[4].

Le déséquilibre de tension de ligne calculée lors de la 6 heure tendances mesure est représenté sur la Figure. 11. Figure. 11 indique que le déséquilibre de tension au redresseur 2 pour les plages de la période d'évaluation entre 0.4% et 0.7% avec la plupart des valeurs se situant entre 0.5% et 0.6%. Les valeurs de déséquilibre de tension de ligne calculés expliquent pourquoi la 3^e courant harmonique était aussi élevé que 17.2% à Rectifier 2.

Figure 11. Calculé déséquilibre de tension de ligne à CB8, Rectifier 2 sur la base mesurée triphasé ligne à ligne-tensions Case 1.

5. Cas 2: Harmoniques Triplen

Cas 2 Résout un problème harmonique Triplen dans un système de distribution de champ de pétrole avec plusieurs variateurs de fréquence (VFD) en fonctionnement. Les ondes de courant sur les entrées des EFV sont gravement déformés. Une analyse de la cause fondamentale était nécessaire de trouver une solution à ce problème.

Comme première étape pour le dépannage, les mesures ont été prises à l'entrée de chaque VFD. La forme d'onde de courant mesurée pour l'un des variateurs de fréquence est représenté sur la Figure. 12. Autres EFV ont des formes d'ondes de courant semblables à leurs entrées. On constate que les deux bosses ne sont pas dans le même ordre de grandeur pour chaque demi-cycle de la forme d'onde de courant.

Figure 12. Onde de courant mesurée à l'entrée de VFD 1.

Le spectre de courant harmonique correspondant à la forme d'onde du courant mesuré est représenté sur la Figure. 13. Ce spectre harmonique du courant contient 23% 3^e courant harmonique et 13% 9^e courant harmonique en pour cent de la fondamentale. De l'autre côté, même les harmoniques sont de petite taille et le tout dans 1.5%. Donc, formes d'onde distorsions actuelles sont causées par Triplen des harmoniques.

Figure 13. Spectre harmonique de courant à l'entrée du VFD 1.

Semblable à l'article 4, le déséquilibre de tension de la ligne pour le système basse tension 480V est calculée en utilisant mesurées trois tensions phase-phase pour VFD1. La période d'évaluation de tendance est plus 5 journées. Le déséquilibre de tension de ligne calculé au cours de la période de mesure est représenté sur la Figure. 14. Cette figure montre que les valeurs de déséquilibre de tension de ligne varient entre 0.2% et 0.9% avec la plupart des valeurs se situant entre 0.3% et 0.6%. Avec un tel déséquilibre de tension de la ligne de l'alimentation secteur harmoniques Triplen sont générés au niveau des entrées de VFD et conduisent donc à la suite de graves distorsions de forme d'onde de courant sur les entrées de commande.

Donc, il peut être conclu que la cause de l'affaire 2 est le déséquilibre de tension de l'alimentation secteur.

Figure 14. Calculé déséquilibre de tension de la ligne à l'entrée du VFD1 mesurée sur la base de trois phases ligne à ligne-tensions Case 2.

6. Conclusions

Harmoniques non caractéristiques, y compris même et harmoniques Triplen sont examinées dans le présent document. Deux études de cas sont menées.

Cas 1 traite de la génération d'harmoniques même causé par un dysfonctionnement de l'équipement d'une installation industrielle. Même harmoniques, en particulier les courants harmoniques 4ème et 6ème sont considérablement amplifiées par résonance due à la présence de la 5ème et 7ème filtres harmoniques passifs simple accord dans le système. Cas 1 montre aussi que la cause racine d'un haut 3^e courant harmonique (jusqu'à 17% à un redresseur), est causée par un déséquilibre de la tension de ligne d'alimentation.

Courant harmonique dans % des droits fondamentaux

Cas 2 présente un problème de distorsion de forme d'onde actuelle grave dans un système de distribution de champ de pétrole avec plusieurs variateurs de fréquence. Courants harmoniques Triplen se trouvent à l'entrée des variateurs de vitesse, mais même les courants harmoniques semblent être normaux. Tous les disques du système montrent des situations similaires. Le déséquilibre de tension de ligne calculé à l'entrée de l'un se situe entre VFD 0.2% et 0.9% sur la base mesurées trois tensions phase-phase. Il est conclu que la cause de l'affaire 2 est la tension de ligne déséquilibre de l'alimentation secteur.

Basé sur des enquêtes dans cette étude, quand quantité importante d'harmoniques non caractéristiques apparaissent dans les installations industrielles, il indique que quelque chose peut être très mal dans le système. Une analyse et le dépannage des causes détaillées doivent être menées pour identifier la cause racine du problème et de le résoudre avant que l'équipement est endommagé ou personnel se blesse.