作成者: ポールC. Buddingh, P.Eng. メンバー, IEEEユニバーサルダイナミクス株式会社 100 - 13700 国際プレイスリッチモンド, BC V6V 2X8カナダ
著作素材IEEE – トリミングいいえ. PCIC 2002-11
私は. はじめに
このケーススタディでは、北米での化学工場での高調波フィルタの故障の作者による調査について説明します. 植物は、入ってくる高電圧、低電流を取るために大規模なスタティックコンバーターを利用 60 ヘルツ, AC電源と低電圧にそれを是正, 電気化学セルの動作のための非常に高い電流DC電源. 高調波電流の発生は、電力システムのこのタイプに予想され、高調波フィルタは、一般に、高調波のレベルを制限し、電力システムコンポーネントを保護するために使用され.
工場からの呼び出しは、彼らが工場のコンバータ·システムのいずれかに関連する高調波フィルタで使用される反応器のセットの過熱のように見えるものを経験していたことが示された. 中の原子炉 5番目の フィルタの高調波の分岐が変色していた, 暗いバンドは原子炉のガラス繊維表面に明らかであった.
フィルタは、元々インストールされていた 1988 問題の歴史を持っていた. ザ 5番目の 高調波反応器は、前に失敗していた, クリア原因は特定されていませんでした. 過去の情報は、数、測定データを収集したとして, それは異常な何かが起きていたことが明らかになった.
本論文では、工場での消費電力と高調波フィルタシステムの概要を説明, 特徴のない高調波が生成される方法について説明します, 難しさを分析し、, 原因を特定し、問題を修正するために使用される行動計画を提供する.
2. 電源システムの構成
植物は、2つの生産ラインを有している, ラインAとB, 各電気化学セルのシリーズからなる.
A線で構成されています 1978 シングルウェイANSIヴィンテージ6パルス整流器 45 間相変圧器を使用して構成. 一次電圧がある 13.8 kVの. それぞれ 6 相または「足」8並列サイリスタを持っている. 位相ロックループ (PLL) 離散的なアナログ電子回路を使用して型制御システムが実現される.
イチジク. 1: ラインA高調波フィルター
3分岐高調波フィルタがインストールされています, に正確に調整された枝からなる 5番目の, 7番目の と 11番目の 高調波 6.9 コンデンサの実効MVAR.
ラインB整流器システムが直接供給される 66 kVの, ANSI中 45/46 12-パルスの構成では、24パルスシステムを作るために離れて余分な15°ずれ. 整流器は、単一の分岐高調波フィルタが装備されている, また少なくとも 66 kVの, に調整された 4.7番目の 高調波および定格 15 効果的なMVAR.
3. 背景
これはよく知られている, 少なくとも1930年代から, それらはACからDCに電力を変換するように整流器は、高調波電流を生成すること. 水銀整流器の時代から古典的な論文, 今日まだ関連, で書かれています 1945 Jで. ℃. 読む. [1]. 1960年代後半から1970年代の大サイリスタ整流器の増殖は、高調波問題の復活と増悪を作成しました, コンバータの大型化にはほとんど結果 (で 20 MWへ 30 MW範囲). これらの新しい大きな整流器は、通常、力率補正のための大きなコンデンサバンクを必要と, 並列共振の妨害のための理想的な環境を作成. 応答, 優れた論文数は、古い問題で、この新たな工夫に取り組む生産された [2] [3].
イチジク. 2: 主電源分布を示す電気シングル線画
本論文では、高調波上のプライマーまたは理論的な論文であることを意図していない. 具体的に電力系統の高調波を説明する参照さ多くの優れた作品があります. 特に, J. Arrillagaら, 「電源システムの高調波 " [4], お勧めします. この場合に関係するいくつかのハイライト, しかしながら, 要約する.
4. SOME理論
ダイオードやサイリスタのミックスからなる半制御コンバータは、本論文では考慮されません. ハーフ制御変換器は、本質的に偶数次高調波を生成し、高パワー用途で使用されない.
基準の論文で詳細に説明したように, バランスの取れた「理想的な」静的コンバータ – すなわち, 整流器の各フェーズにおける等しい電流とコンバータは、によると、コンバータの交流側の高調波を生成します:
h = kp ± 1 (1)
どこ: H次数は任意の整数k個 (1, 2, 3,...) 大きさの回路のpパルス数:
私はH =私は1/H (2)
どこ: IH高調波電流I1基本波電流の大きさのH高調波次数
実際には, サイリスタ整流リアクタンス、位相遅角が幾分以下の特徴の高調波の各々における電流の振幅を減少させる:
高調波 5 7 11 13 17 19 23 25
現在の 0.175 0.111 0.045 0.029 0.015 0.01 0.009 0.008 (ユニット)
で始まるこれらの正常または「特性」高調波周波数 5番目の と 7番目の 高調波は6パルス整流器から予想される. 同様に, 12パルスシステムでは、始動特性の高調波を有する。 11番目の と 13番目の 24パルスから始まる特徴的な高調波を持つことになります 23RD と 25番目の ハーモニックス, 等. 整流器は、高調波電流源として作用する, ACシステムに戻し、これらの高調波電流を注入する. ACシステムは、合理的に対称であり、整流発射のタイミングが正確である場合, 生じた高調波電流は3つの段階すべてで同じになります.
ジャンBabtisteフーリエの理論は数学的に生じる高調波スペクトルを説明するために使用されている. 6パルス整流器は、2つのウェイから構成されている, 3-パルス整流器, ブリッジ構成の形に直列接続されたいずれか, または並列に, この場合のように、. フーリエ変換の理論は3パルスシステム用ことを示している 3RD, 9番目の, 15番目の···高調波はゼロである. シングルウェイ, 3-パルスシステムは、半波のゼロ軸に対して対称ではなく、偶数次高調波を生成する 2, 4, 6,…. 2並列の整流器の180°の構成は、6パルス対称システムを作成します, これは通常であっても周波数を排除.
イチジク. 3: インター相変圧器で6パルスダブルY接続の概略
現実の世界では, 交流電源側のある程度の残留異常奇数と偶数次高調波が常にあります. これらは「珍しく」の高調波周波数に分類されている.
一般に, 「珍しく「高調波は位相角を変圧器巻線の公差を含むAC電源システムの不完全性によって引き起こされる, 転流リアクタンスと入力AC電源高調波電圧が存在. AC電源側でこれらの欠陥は、サイリスタの点火タイミングに影響を与え, その同期信号は、AC基本周波数から採取される. 通常は, 非対称性は軽微であります, 得られた歪みは小さく、最小限の影響.
なお、位相制御タイミングや焼成段階のすべての半導体に対して同一であるものとする, 相間タイミングが協調し、各位相群を正確に互いに対して焼成すること. キャンセルの, 我々は、正確で再現性の焼成を必要とする. これは公差が大きな役割を果たして別の領域です. 発火の偏差も珍しく高調波電流を生成します. 適切に設計および動作整流器, 「特徴のない "高調波は通常最小限である, と心配ではありません.
高調波フィルタを設計する, 従って, 受け入れ「理論」に基づい, 通常の特性、高調波を治療するためにのみ. コスト上の理由, 彼らは通常、過剰な "特徴のない"高調波電流を扱うように設計されていません.
で. 分析
植物コンバータシステムの調査·分析で多くの障害がありました. 一つは、直接測定する能力なしで過熱の問題を分析した 5番目の 高調波フィルタの分岐電流. これは、それが困難な既存の高調波の条件の全体像を把握するために行われ. 高調波フィルタを正確に調整された3支店で構成されています 5番目の, 7番目の と 11番目の 高調波. 各ブランチは、A相用のコンデンサのセットと空芯型反応器で構成され, B, と
℃. フィルタは、変流器を搭載した回路ブレーカーを経由して1メタルクラッド "テック"ケーブルによって供給されている. 測定を行うための接続の唯一の実用的な点は、フィルタの3つのすべての枝を供給する電流トランスにあった.
表 1 ラインA整流器の入力で測定高調波電流
整流器によって生成される高調波電流は、理想よりも特徴的でないコンポーネントとの合理的だった, しかし、1978年ヴィンテージの整流器のそれは珍しいことではない. それが顕著であった, しかしながら, 整流器の入力における測定値は、より低い量を有していたこと 4番目の フィルタの入力よりも高調波電流. これは特徴のない高調波電流は、原子炉の苦痛の源であったことを最初のヒントを提供.
ラインAの回路遮断器での測定は、AC電源システムが許容可能であることを示したとの懸念ではない点.
測定は、インラインフィルターで撮影したところ, すべてが合理的に見えた. 測定された電流は、原子炉の定格を超えておらず、周囲温度は、原子炉の30℃のテスト評価の範囲内であった.
そう, 何が過熱を引き起こしていた? 我々は、整流操作の履歴口コミなどの追加の手がかりが発見されました. プラント保守要員との議論は、整流電源部の大規模な改修が最近完了されたことを示した, オーバーサイズのデバイスがインストールされている. これは以前の改造により発生繰り返さサイリスタの障害を排除し、問題がコントロールの凹凸と関連していたことを強く示していたた.
着火時期は、サイリスタのパラレルセットに対して同一でない場合, 不均一な負荷は、個々の半導体の失敗を生産結果、より少ないデバイスは、負荷のより多くのを運ぶようにシステムを介して障害のその後のカスケード惹かでき. 大きなオーバーサイズのデバイスをインストールすることで、, 工場では症状を解消していた.
次の, 電源システムは、任意の異常な高調波共振条件をピンポイントに特に重点を置いて分析した.
通常のプラント運転中に使用される種々の電力システム構成を調べた. AがB線整流器とフィルターを用いて動作していたラインが停止したときに、興味深い発見がなされた. ザ 5番目の A線でのフィルタ分岐 (シリーズは、正確に調整された 300 ヘルツ) で電力系統との強力な並列共振を示すことが見出された 4番目の ハーモニックB線システムが稼動していないとき. ラインBシステムが動作している場合, 並列共振は、まだ存在している, しかし、ほぼ同じ重要ではありません.
その後の分析は、ラインBがシャットダウンされた場合に整流器ができるだけ少ないを生成することが示され 5% 4番目の 高調波電流, それが増幅され、発生している 40% 中電流過負荷 5番目の インラインフィルターの枝.
この知見は、偶数次高調波共振が原子炉の過熱の原因であったことを成長の疑いのための理論的基礎を提供. 一つの疑問が残った: 植物は通常、フル稼働で動作, 24 一日あたりの時間, 一年中 - ラインB上の短い年間保守停止が原子炉で過熱し、得られた暗色のバンドを引き起こすのに十分かもしれない?
反応器は30℃の周囲温度を超える60℃の通常の最大温度上昇を有する. 製造業者は、それが130℃に達するまで、原子炉の断熱材が変色しないことを報告します. この温度に到達する, 反応器内の合計電流は、に増加する必要があります 140% 原子炉評価. 原子炉は、少し熱質量を持っているので, この温度は、分のオーダーで起こる.
このデータで武装, 理論、高, 特徴のない高調波は、過熱がテストすることができる引き起こした. 測定値の別のセットが断続的に定量化するためにラインAで撮影された, 特徴のない高調波電流を整流し、それらの増幅から来る 5番目の フィルタの高調波の分岐.
注意深い測定プロトコルは、増幅が実際に行われていたことが確認され. 測定の 20% へ 58% の 4番目の 高調波電流 (総フィルタ電流の割合として) およその期間について記録された 13 インラインフィルターの秒. なおことが見出された 5番目の 分岐フィルタは、ほぼ半数のフィルタ電流を描いていた, と 70% の 4番目の 高調波電流. 結果として, 短期間これらの原子炉は、ロードされるよりも多くの 200% 定格電流の. B線を下にして, 効果は、おそらくかなり悪化するだろう.
このデータの最後の部分は、絵を完成.
イチジク. 5: シリーズ & の並列共振 5番目の フィルタリング & 13.8 kVのバス
WE. もっと理論
上記の, 偶数次高調波は、タイミング凹凸を焼成することにより、整流装置内に作成することができる. ギャロウェー [7] による高調波電流自体に起因する電源の高調波電圧歪変換器システムの異常動作として高調波不安定性を記載. J.D. エインズワースは、この同じトピックに関する古典的な論文を書いた 35 数年前 [8].
ギャロウェー [7] タイミング凹凸の様々なモードを説明. 凹凸が3種類に定義されています.
タイプ 1 - パルス偏差 - 6パルスの一つは、正確な時間や方法では発生しません. これは、高調波電流の「全面的に」増加をもたらす, 奇数次高調波とゼロ約半波非対称性に起因しても、高調波電流の生産の貧しい人々のキャンセルと.
タイプ 2 - フェーズアンバランス - 位相アンバランスが同額配当のを生成しません; それは、単相整流器のように機能し、±の変調成分と奇数次高調波の完全なスペクトルを生成 2 通常の高調波周波数の.
タイプ 3 - グループアンバランス - パルス 1, 3 と 5 から等しい量だけ変位されている 2, 4 と 6. これは偶数次高調波の発生をもたらし, すなわち, 倍数 3 ±1.
工場で行われた測定値は、そのタイプを示すように見えた 1 問題は、ランダムなタイミングのばらつきに起因した天然, スペクトル全体の上昇高調波の期間など, を含む偶数次高調波が認められた. 古い制御エレクトロニクスと, しかしながら, 故障モードは、単離することは困難であった, とタイプ 3 問題, 相間飽和度, 発生している可能性があり.
相間変圧器は、典型的には、整流器の半分の間の不均衡のわずかな量を吸収するように設計されるとすぐに飽和状態に入ることができる. 整流器システムは、バランスのとれていないとき, 相間で反対方向に流れる2つの3パルス群の出力電流は、コアの有意な直流磁化を作り出す. それが飽和状態になり、無効になったと, 整流器は、2のように動作, 別, 3-スター接続点と半導体とパルス群は、通常の120°の半分以上が実施. 約における結果として60°導通角の結果 17% 半導体電力の増加 (ワッツ) 損失. これはサイリスタの発熱が大幅に増加し、その結果, ヒューズだけでなく、トランスの2次.
このアンバランスは、二次変圧器が運ばなければならないことが効果的で、直流電流になり. トランスは飽和状態に入ることができます, 損失を増加させ、大量の熱を作成し、第三高調波電流の不均衡な量.
7. 所見
パズルのピースが一緒に来て始めていた. より多くの証拠は、フィルタの過熱の原因として偶数次高調波の共振を指摘し.
経験した難しさの原点は、サイリスタ点弧回路の問題です. 制御システムの年齢、得られた電子部品「ドリフト」, タイプを作成しているように見える 1 タイミングムラ.
発射非対称性は、もはや直接最近インストールされていた大型のサイリスタと整流器の動作に影響を与えるしなかった, それでも、特定の植物の動作条件下で高調波フィルタに影響を及ぼすた.
ラインA整流器は終わった 30 歳, しばらくうまく元の設計寿命過去, これらの堅牢なマシンの継続的な操作は、電気化学業界では一般的である. アキレスはこれらのユニットの癒し、通常、制御システムの老朽化、エレクトロニクスです. 電子機器には、バスタブ状の信頼性曲線を有しており、この装置は、そのカーブの上り坂に可能性があります. 要するに, 制御システムの問題は、古い整流器と予想される.
測定は、B線運転であることを実証した, 大量の 4番目の 高調波電流は、ラインにフィルタを過負荷に 5番目の 短期間のブランチ. 原子炉は、少し熱質量を持っている, 数分のために極端な温度に到達することができます. 少なくとも13秒間の期間について, 反応器に暴露した 200% ロード. ラインBは、これらの条件下でシャットダウンされた場合, 電流はかなり高くなる可能性がある. 欠点を補う機能は、ラインBは、メンテナンスの短い間隔のため、まれにシャットダウンされていることである. 時間をかけて繰り返される過熱の累積効果は、原子炉を強調してきた.
で 1992, 一つ 5番目の 高調波反応器を交換した. 唯一2 3既存の原子炉の損傷の兆しを見せている理由を説明. 新しい原子炉は、2以上の年齢第五次高調波反応器として繰り返さ過熱と同程度にさらされていない.
二の懸念は、DCで相間や変圧器の二次回路への影響を相殺. 変圧器は、良好な状態にある間、, 高められたDC電流は実質的に加熱を増加させ、長期的な劣化につながる可能性が. タップ切換器, コアクランプおよび他の内部ハードウェアは、高調波電流でのレベルの増加と加熱効果を局所化していることができます [10], 特に機械が設計されていないいる特徴のない高調波電流と.
8. 行動計画
の物理的な検査 5番目の 強調したが、ラインA上の原子炉が完了しました, 失敗の直接の危険にさらされていなかった, B線は、オンラインに保たれている場合は特に.
新しい整流器制御システムの導入は、実質的な設備投資である, そして工場は現在、このステップを検討している. その間に, 以下のような対策が行われるようになってきている.
イチジク. 6: ラインA整流器制御システム
最初の, ピーク検出保護リレーは、このシステム上で経験した低次高調波周波数に敏感な現代的なプログラマブルリレーと交換されています. 反応器は、過負荷の危険にさらされている場合、これはフィルタバンクの警報及びトリッピングを提供する. このリレーはまた、高調波のレベルを測定し、記録します.
2番目の, 再設計された 5番目の 高調波フィルタリアクトルは、以下にフィルタと電力系統との間に並列共振を移動させるために設置されている 4番目の. 新しいデザインは大幅に共鳴に対する感度が低下します. 新しい原子炉は、注文されており、交換が予定されています.
最後に, トランスガス溶存サンプル間の間隔は、変圧器の状態の監視を改善するために減少している. 溶存ガス分析変圧器の状態を評価するのに最適なツールです。, 不確実な高調波のストレスに直面した場合は特に. 対処し、必要に応じて撮影することができます.
9. 結論
持続的な整流器 4番目の の高調波レベル 5% 以上, B線がオフの時に, 原子炉をオーバーロードし、それらをホット実行し、変色する原因となった. 長年にわたって, 条件を激化累積効果があった. 何も行われなかった場合, プラント運転履歴は、障害が続くだろうと設立されました.
第一歩として, フィルタ保護リレーは、検出するように変更されました 4番目の 必要に応じて、高調波電流の過負荷やアラームとの旅行に.
扱われる各高調波の周波数に正確にラインA高調波フィルタを調整する共振効果が当初の設計では考慮されませんでした. それぞれのチューニング 5番目の, 7番目の と 11番目の 周波数に分岐 2% へ 10% ターゲット周波数より並列共振を緩和するだろう.
破損したフィルタリアクトルの再設計が完了し、新しい原子炉は、インストールのために予定されている.
新しい大きなサイリスタ, 最近交換した, はるかに大きな程度まで制御系の凹凸に耐えることができる, 信頼性を改善した. 以前の整流問題を引き起こし、制御システムの凹凸, しかしながら, 依然としてAC電源システムに影響を与える.
偶数次高調波はまた、整流変圧器は磁気回路の飽和によって熱く実行するようになります. 金属クランプ, 器具やその他のコンポーネントは、変圧器の内部で過熱することができます, ローカライズされたホットスポットを作成する. これは、大幅に変圧器の寿命を減らすことができ.
ステップは述べたように、即時の問題を軽減するためにとられており、置換制御システムは、植物によって検討されている.
X. 謝辞
私はこの非常に興味深い挑戦と私の同僚のベルントSchmidtkeに仕事をする機会のためにジョン·キリチェンコと工場スタッフに感謝したいと思います, P.Eng. このプロジェクトの彼の卓越した仕事と洞察力のための.
11. REFERENCES
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ポールC. Buddinghはサンダーベイレイクヘッド大学を卒業, オンタリオ, 電気工学の学位を取得し、カナダ. 卒業と同時に, 彼はトロントのワークアウト、数年を過ごした, カナダは、電気的なコンサルティングエンジニアとして重工業で働いて. で 1991, 低電圧システムにおける零相高調波問題の解決に新たな磁気的なアプローチを開発した彼は、共同設立した会社. で 1997, 彼はバンクーバーに移動, ユニバーサルダイナミクスに参加しましたカナダ、. 彼はのための高調波フィルタを設計し、インストールされています 15 年. 彼の作品は難しい負荷のための信頼性の高い電源システムを設計を中心とし, 電力変換器の問題や米州全体で産業分野のお客様の数の分解能システムの問題. 彼は、オンタリオ州の州に登録エンジニアです, マニトバ州とブリティッシュ·コロンビア州といくつかのIEEEの論文の著者.