저자: 폴 C. Buddingh, 물리 공학과. 회원, IEEE 보편적 인 역학 제한 100 - 13700 국제 리치먼드, BC V6V 2X8 캐나다
저작권 자료 IEEE – 종이에. PCIC 2002-11
나는. 소개
이 사례 연구는 북아메리카에있는 화학 공장에서 고조파 필터 고장의 저자에 의해 조사를 설명. 공장은 들어오는 고전압 저 전류를 취할 큰 정지형 변환기를 사용 60 Hz에서, AC 전원 및 낮은 전압으로 그것을 해결할, 전기 세포의 작동을 위해 매우 높은 전류를 DC 전원. 고조파 전류 세대 전원이 유형의 시스템에서 예상되는 고조파 필터는 일반적으로 고조파 레벨을 제한 및 전원 시스템 구성 요소를 보호하는 데 사용됩니다.
공장에서 호출들은 공장의 컨버터 시스템 중 하나와 관련된 고조파 필터에 사용되는 원자로의 집합 과열 것으로 나타났다 무엇을 경험 한 것으로 나타났다. 의 원자로 5일 필터의 고조파 분기 변색했다, 어두운 밴드 원자로의 유리 섬유 표면에 분명했다.
필터는 원래의 설치 1988 그리고 문제의 역사를 가지고. The 5일 고조파 원자로 전에 실패했다, 그리고 명확한 원인은 확인되지 않았다. 기록 정보는 위 및 측정 데이터 수집으로, 그것은 이상한 일이 발생하는 것을 명백하게되었다.
이 논문은 공장에서 전력 및 고조파 필터 시스템을 설명, 특색 고조파가 생성되는 방법에 대해 설명합니다, 어려움을 분석, 원인을 식별하고 문제를 해결하는 데 사용되는 실행 계획을 제공합니다.
II. POWER 시스템 구성
공장은 2 개의 생산 라인을 가지고, 선 A와 B, 각 전기 세포의 일련의 구성.
라인으로 구성 1978 단일 방식으로 ANSI 빈티지 6 - 펄스 정류기 45 상간 변압기 구성. 기본 전압은 13.8 kV의. 각 6 단계 또는 "다리"팔 병렬 사이리스터가. 위상 잠금 루프 (PLL) 이산 아날로그 전자 제품을 사용하는 타입 제어 시스템 구현.
무화과. 1: 고조파 필터를 줄
세 가지 고조파 필터 설치, 에 정확하게 조정 가지로 구성 5일, 7일 과 11일 와 조화 6.9 커패시터의 효과 MVAR.
라인 B 정류 시스템은 직접 공급 66 kV의, ANSI에서 45/46 12-펄스 구성은 24 - 펄스 시스템을 만들기 위해 따로 여분의 15 °를 이동. 정류기는 한 가지 고조파 필터가 장착되어 있습니다, 또한시 66 kV의, 에서 조정 4.7일 고조파 및 정격 15 MVAR 효과.
III. 배경
그것은 잘 알려져있다, 적어도 1930 년대 이후, 그들은 AC에서 DC로 전력을 변환 등이 정류기는 고조파 전류를 생성. 수은 아크 정류기의 시대에서 고전적인 종이, 여전히 관련 오늘, 로 작성되었습니다 1945 J으로. C. 읽기. [1]. 1960 년대 후반과 1970 년대 초반 큰 리스터 정류기의 확산은 고조파 문제의 부활과 악화를 생성, 컨버터의 증가 크기를 크게 결과 (에서 20 에 MW 30 MW 범위). 이 새로운 큰 정류기는 일반적으로 역률 보정을 위해 큰 콘덴서가 필요, 병렬 공진 장애를위한 이상적인 환경을 만들어. 님의 질문에 답변, 우수한 논문의 숫자가 이전 문제에 대한 새로운 트위스트를 해결 제작 된 [2] [3].
무화과. 2: 주요 배전보기 전기 단일 선 그리기
이 문서는 고조파에 프라이머 또는 이론적 논문은 아닙니다. 세부의 전력 시스템 고조파를 설명하는 참조 많은 훌륭한 작품이있다. 특히, J. Arrillaga 등, "전력 시스템 고조파" [4], 추천. 이 경우에 관련된 몇 가지 하이라이트, 그러나, 요약됩니다.
IV. 일부 이론
다이오드 및 사이리스터의 혼합으로 구성된 반 제어 컨버터는이 논문에서 고려되지 않습니다. 하프 제어 컨버터는 본질적으로도 고조파를 생산하고 높은 전력 응용 프로그램에서 사용되지 않습니다.
로 참조 논문에서 자세히 설명, 균형 잡힌 "이상적인"스태틱 컨버터 – 그는, 정류기의 각 단계에서 동일한 전류를 컨버터에 따라 컨버터의 AC 측에 고조파를 생성합니다:
h = kp ± 1 (1)
어디에서: 정수 K H 차수 (1, 2, 3,....) 크기와 회로의 P 펄스 수:
나는H = I1/H (2)
어디에서: IH 고조파 전류 I1 근본적인 현재 크기 H 차수
실제로, 사이리스터 정류 리액턴스와 위상 지연 각은 다소 다음과 같은 특성 고조파의 각각의 현재의 진폭을 줄일 수:
조화적인 5 7 11 13 17 19 23 25
현재 0.175 0.111 0.045 0.029 0.015 0.01 0.009 0.008 (단위 당)
시작이 정상 또는 "특성"고조파 주파수 5일 과 7일 고조파는 6 - 펄스 정류기에서 예상되는. 유사하게, 12 - 펄스 시스템에서 시작 특성 고조파를해야합니다 11일 과 13일 및 24 펄스에서 시작 특성 고조파를해야합니다 23회 과 25일 화성학, 등. 정류기는 고조파 전류 소스의 역할, AC 시스템에 다시 이러한 고조파 전류를 주입. AC 시스템은 비교적 대칭 및 정류기 발사의 타이밍이 정확한 경우, 결과 고조파 전류는 세 단계에 모두 같아야합니다.
진 Babtiste 푸리에의 이론은 수학적 결과 고조파 스펙트럼을 설명하는 데 사용됩니다. 6 - 펄스 정류기는 두 개의 단일 방식으로 구성되어 있습니다, 3-펄스 정류기, 어느 브리지 구성의 형태로 직렬로 연결, 또는 병렬, 이 경우에서와 같이. 푸리에의 이론은 보여줍니다 3pulse 시스템 3회, 9일, 15일.... 고조파는 0이. 단일 방법, 3-펄스 시스템은 제로 축 반파 대칭되지 않으며 심지어 고조파를 생성 2, 4, 6,…. 두 개의 병렬 정류기의 180 °의 구성은 6 - 펄스 대칭 시스템을 만듭니다, 이는 일반적으로도 주파수를 제거.
무화과. 3: 상간 변압기와 6 - 펄스 더블 와이 연결 회로도
현실 세계에서, AC 전원 공급 장치 측면에서 잔여 이상 홀수 및 짝수 고조파는 항상있다. 이들은 "특색"고조파 주파수로 분류됩니다.
일반적으로, "특색"고조파 위상 각 권선 변압기의 허용 오차를 포함하여 AC 전원 공급 시스템의 결함에 의해 발생하는, 정류 리액턴스 들어오는 AC 전원의 존재는 고조파 전압을 공급. AC 전원 측의 이러한 결함은 사이리스터 발사 타이밍에 영향을, 그 동기 신호는 AC 기본 주파수에서 수행되는. 일반적으로, 비대칭 미성년자, 그 결과 왜곡이 작고 효과를 최소화.
그것은 위상 제어 타이밍이나 구이가 상에있는 모든 반도체에 대한 동일한 것으로 가정합니다, 상간 타이밍을 조정하고 각 단계 그룹은 정확하게 서로에 대해 발생되는. 취소, 우리는 정확하고 반복 소성이 필요합니다. 이 허용 오차가 큰 역할을 또 다른 영역입니다. 발사의 편차는 특색 고조파 전류를 생성합니다. 적절하게 설계 및 운영 정류기, "특색"고조파는 일반적으로 최소화, 그리고 문제가되지 않습니다.
고조파 필터 설계, 따라서, 수락 "이론"에 따라, 만 정상적인 특성 고조파를 치료하는. 비용상의 이유로, 그들은 일반적으로 과도한 "특색"고조파 전류를 처리하도록 설계되지 않습니다.
에. 분석
장애물의 수는 식물 컨버터 시스템의 조사와 분석이 있었다. 하나는 직접 측정 할 수없는 과열 문제를 분석되었다 5일 고조파 필터 분기 현재. 이 어려운 기존의 고조파 조건의 완전한 그림을 얻기 위해 만든. 고조파 필터에 정확하게 조정 세 가지로 구성되어 있습니다 5일, 7일 과 11일 조화적인. 각 분기 단계에 대한 커패시터의 세트로 공기 중핵 반응기로 구성, B, 과
C. 필터는 현재의 변압기가 장착 된 회로 차단기를 통해 "테크"케이블 입은 하나의 금속에 의해 제공됩니다. 측정을위한 연결의 유일한 실제 포인트는 필터의 세 가지를 공급하는 전류 변압기했다.
표 1 줄에서 측정 된 고조파 전류 정류기 입력
이상적 정류기에 의해 생성 된 고조파 전류는 특색 구성 요소와 합리적 이었음 이상, 하지만 그 이상한 1978 - 빈티지 정류기. 그것은 주목할 만했다, 그러나, 정류기의 입력에서 해당 측정의 낮은 금액을했다 4일 필터의 입력에서보다 고조파 전류. 이 특색 고조파 전류는 원자로 고통의 근원이었다 첫 번째 힌트를 제공.
줄에서 측정 회로 차단기는 AC 전원 공급 시스템이 허용이라고 표시하고 관심없는 점.
측정 라인에 필터를 촬영했을 때, 모든 합리적인 보았다. 측정 된 전류는 반응기의 30 ° C 시험 평가에서 있었다 원자로 및 주위 온도 등급을 초과하지 않았다.
그래서, 과열에게 원인이 있었는지? 우리는 정류기 작업의 역사를 리뷰로 추가 단서가 발견되었다. 공장 유지 보수 직원과 토론 정류기 전원 부분의 개조 광대가 최근 완료했다고 표시, 오버 장치가 설치된. 이 전에 개조에 발생하는 반복 사이리스터 장애를 제거하고 문제를 제어 부정과 관련된 것을 강하게 표시했다했다.
타이밍을 발사하는 사이리스터의 병렬 세트에 대해 동일하지 않은 경우, 고르지 로딩 개별 반도체 실패를 생산 될 수 있으며 적은 수의 장치가 부하의 더 많은을 가지고 같은 시스템을 통해 실패의 연속 폭포쪽으로 몰리는 할 수 있습니다. 큰 특대 장치를 설치하여, 공장은 증상을 제거했다.
다음, 전력 시스템은 비정상적인 고조파 공진 조건을 정확히 파악에 특히 중점을두고 분석 하였다.
정상적인 공장 운영 중에 사용되는 다양한 전력 시스템 구성을 확인 하였다. 이 라인 B 정류기와 필터를 작동 할 때 선 흥미로운 발견이 만들어진 것은 종료. The 5일 라인에서 필터 지점 (정확히로 조정 시리즈 300 Hz에서) 에서 전원 시스템과의 강력한 병렬 공진을 전시했습니다 4일 선 B 시스템의 서비스를 벗어나면 조화. 선 B 시스템이 작동 할 때, 병렬 공진은 여전히 존재, 하지만 거의 중요하지.
이후의 분석은 선 B가 종료되는 경우 정류기 한 적게 생산하는 표시 5% 4일 현재 고조파, 그것은 증폭의 원인이됩니다 40% 현재 과부하 5일 라인 필터의 지점.
이 발견은 더 고조파 공진 반응기 과열의 원인이라고 의심 성장에 대한 이론적 기초를 제공. 질문이 하나 남아: 식물은 일반적으로 최대 용량으로 작동, 24 하루 시간, 일년 내내 긴 - 선 B에 짧은 연간 유지 보수 중단은 원자로의 과열 및 결과 어두운 밴드를 일으킬 충분한 수?
원자로는 30 ° C의 주변 온도에 60 ° C의 정상적인 최대 온도 상승이. 제조 업체는 130에 도달 할 때까지 원자로 절연이 변색되지 않습니다보고 ° C. 이 온도에 도달 할, 반응기의 총 전류는 증가 할 필요가있다 140% 반응 평가. 원자로는 작은 열 질량을 가지고 있기 때문에, 이 온도는 분 순서로 발생합니다.
이 데이터를 바탕으로, 그 높은 이론, 특색 고조파 과열 테스트 할 수있는 원인이되었다. 측정의 또 다른 세트가 간헐적으로 계량 라인에 찍은, 특색 고조파 전류의 정류과 증폭에서 오는 5일 필터의 고조파 지점.
주의 측정 프로토콜은 증폭 실제로 일어나고 있음을 확인. 측정 20% 에 58% 으로 4일 현재 고조파 (전체 필터 전류의 백분율로) 약의 기간에 대하여 13 줄에서 초 필터. 그것은 발견되었다는 5일 가지 필터는 거의 절반 전체 필터 전류를 그렸습니다, 과 70% 의 4일 현재 고조파. 결과, 짧은 기간 동안이 원자로보다 함께로드됩니다 200% 정격 전류. 라인 B 아래로, 효과는 가능성이 상당히 악화 될 것.
이 데이터의 마지막 조각 그림을 완성.
무화과. 5: 시리즈 & 병렬 공진 5일 필터 & 13.8 kV의 버스
우리. 더 이론
위에서 설명한, 심지어 고조파 타이밍 부정을 발사하여 정류 시스템에서 만들 수 있습니다. 갤러웨이 [7] 고조파 전류 자체에 의한 전원의 고조파 전압 왜곡으로 인해 컨버터 시스템의 이상 작동으로 조화 불안정성을 설명. J.D. 애인 스 워스이 동일한 주제에 대한 고전적인 종이를 썼습니다 35 년 전 [8].
갤러웨이 [7] 타이밍 부정의 다양한 모드 설명. 부정은 세 가지 유형으로 정의됩니다.
유형 1 - 펄스 편차 - 여섯 펄스 중 하나는 정확한 시간이나 방식으로 발생하지 않습니다. 고조파 전류에서 "전반적으로"증가이 결과, 가난한 홀수 고조파의 제거와 제로에 대한 반파 비대칭으로 인해 심지어는 고조파 전류의 생산.
유형 2 - 위상 불균형 - 위상 불균형이 고르게을 생성하지 않습니다; 그것은 단일 위상 정류기와 같은 역할을하며 변조 구성 요소와 홀수 고조파의 전체 스펙트럼을 생산 ± 2 일반 고조파 주파수의.
유형 3 - 그룹 불균형 - 펄스 1, 3 과 5 에서 동일한 금액을 전치하는 2, 4 과 6. 심지어 고조파의 발생이 결과, 그는, 의 배수 3 ±1.
공장에서 만든 측정 나타내는 것 같은 형 1 문제로 인해 임의의 타이밍 차이로 발생 된, 스펙트럼에 걸쳐 높은 고조파의 기간으로, 등 심지어 고조파는 지적했다. 기존의 전자 제어와, 그러나, 고장 모드는 분리하기 어려운, 와 형에게 3 문제, 간 상 채도, 발생 수.
상간 변압기는 일반적으로 정류기 반쪽 사이의 불균형의 단지 작은 양을 흡수하도록 설계되어 빠르게 포화 상태로 갈 수 있습니다. 정류 시스템은 균형이 잘되지 않을 때, 계면에서 반대 방향으로 흐르는 두 개의 3-펄스 그룹의 출력 전류는 핵심 상당한 직류 자화를 생산. 그것은 포화 상태로 전환되고 효과 해짐에 따라, 정류기는 두 가지로 작동, 별도의, 3-별 펄스 그룹을 가리 킵니다 연결 반도체는 일반 (120)의 절반 이상 실시 °. 대한의 결과 60 ° 전도 각도 결과 17% 반도체 전력 증가 (w) 손실. 사이리스터의 가열에 상당한 증가가 발생합니다, 퓨즈뿐만 아니라 변압기의 보조.
이 불균형은 또한 변압기의 보조가 수행해야하는 효율적인 DC에 현재 결과. 변압기 포화 상태로 갈 수 있습니다, 손실을 증가시키고 열 많은 양의 세 번째 고조파 전류의 불균형 양을 생성.
VII. 사실 인정
퍼즐 조각을 함께 제공하기 시작했다. 더 많은 증거가 필터 과열의 원인으로도 고조파 공진을 지적.
경험 문제의 기원은 사이리스터 점화 회로 문제. 제어 시스템의 연령과 결과 전자 부품 "드리프트", 유형을 만들 것으로 보인다 1 시간의 요철.
비대칭 발사에 직접 최근에 설치했던 대용량 사이리스터와 정류기의 동작에 영향을 미치는 더 이상 없었다, 하지만 여전히 특정 식물의 작동 조건에서 고조파 필터에 영향을 미치는되었다.
라인 정류기 이상 30 세, 물론 원래의 설계 수명 과거 동안, 이러한 강력한 기계의 지속적인 작업은 전기 업계에서 일반적입니다. 아킬레스는이 장치의 치료는 일반적으로 제어 시스템의 노화 전자입니다. 전자 장비는 bathtubshaped 신뢰성 곡선을 가지고 있으며,이 장비는 곡선의 위쪽 경사면에 가능성이 높습니다. 요컨대, 제어 시스템 문제는 이전 정류기로 예상 할 수있다.
측정 입증하는 선 B 운영과, 많은 양의 4일 고조파 전류는 필터 라인 오버로드 5일 짧은 기간 동안 지점. 원자로는 작은 열 질량이, 과 분의 순서에 극단적 인 온도에 도달 할 수. 적어도 13 초 동안, 원자로에 노출 된 200% 하중. 라인 B는 이러한 조건에서 종료되는 경우, 전류는 상당히 높은 될 가능성이. 구속의 특징은 선 B는 유지 보수의 짧은 간격에 대해 자주 종료입니다. 시간이 지남에 따라 반복 과열의 누적 효과는 원자로을 강조하고있다.
에 1992, 중 하나 5일 고조파 원자로 대체되었다. 두 개의 기존 원자로의 손상의 징후를 보이고있다 이유를 설명. 새로운 반응기는 두 세 번째 고조파 반응기로 반복 과열의 동일한 수준에 노출되지 않은.
차 관심사는 변압기의 계면 및 보조 회로의 DC 오프셋 효과입니다. 변압기는 좋은 상태에있는 동안, 높은 DC 전류는 실질적으로 난방을 증가시키고 장기적으로 저하로 이어질 수 있습니다. 체인저를 누릅니다, 코어 클램프 및 기타 내부 하드웨어는 고조파 전류에 증가 수준으로 지역화 된 가열 영향을 미칠 수 [10], 특히 기계는 적이되는 특색 고조파 전류를.
VIII. 실천 계획
의 신체 검사 5일 선 원자로가 완료 강조하지만 하였다, 실패의 즉각적인 위험하지 않았다, 라인 B가 온라인으로 유지하는 경우 특히.
새로운 정류기 제어 시스템의 설치는 상당한 자본 지출이다, 그리고 공장은 지금이 단계를 고려하고있다. 반면에, 다음과 같은 조치를 제자리에 넣어왔다.
무화과. 6: 라인 정류기 제어 시스템
처음으로, 피크 감지 보호 릴레이는이 시스템에 경험이 낮은 고조파 주파수에 민감한 현대적인 프로그램 릴레이로 대체되고있다. 원자로 과부하의 위험이있는 경우이 필터 뱅크의 경고 및 트리핑 제공합니다. 이 릴레이는 고조파 레벨을 측정하고 기록.
초, 재 설계 5일 고조파 필터 리액터에 아래 필터와 전력 시스템과 병렬 공진을 이동 설치되는 4일. 새로운 디자인은 크게 공명에 대한 민감도를 감소합니다. 새로운 원자로가 주문되어 있고 교체가 예정되어있다.
최종적으로, 변압기 용존 가스 샘플 간의 간격은 변압기 상태 모니터링을 개선하기 위해 감소되었습니다. 용존 가스 분석은 변압기의 상태를 평가하기위한 훌륭한 도구입니다, 불확실한 고조파 스트레스에 직면 특히. 시정 조치는 다음 필요에 따라 취할 수 있습니다.
IX. 결론
지속적인 정류기 4일 고조파 레벨 5% 이상, 라인 B가 꺼져 시간, 원자로를 오버로드하고 실행할 발생했습니다 뜨거운 변색. 년, 조건을 강화 누적 효과가 발생했습니다. 아무것도 수행되지 않은 경우, 공장 운영 역사는 실패 따를 것이라고 설립.
첫 번째 단계로, 필터 보호 릴레이를 감지 바뀌 었습니다 4일 고조파 전류 과부하 및 필요에 따라 경보 및 여행을.
의 공진 효과를 줄에게 처리 할 각 고조파 주파수에 정확히 고조파 필터를 조정하는 것은 원래의 설계에 고려되지 않았다. 각각의 조정 5일, 7일 과 11일 주파수로 분기 2% 에 10% 목표 주파수 아래의 병렬 공진을 완화 것이다.
손상된 필터 원자로의 재 설계가 완료되고 새 원자로 설치 예정.
새로운 큰 사이리스터, 이는 최근에 교체되었다, 훨씬 더 큰 정도 제어 시스템 부정을 견딜 수, 신뢰성있는 결과 개선. 이전 정류 문제에게 발생하는 제어 시스템 부정, 그러나, 아직 AC 전원 시스템에 영향을.
심지어 고조파는 자기 회로의 포화 뜨겁게을 실행하는 정류기 변압기의 원인이됩니다. 금속 클램프, 비품 및 기타 구성 요소는 변압기 내부의 과열, 지역화 된 핫 스팟을 생성. 이 크게 변압기의 수명을 줄일 수 있습니다.
단계는 지적으로 즉시 문제를 완화하기 위해 촬영과 교체 제어 시스템은 공장에 의해 검토 중이다되었습니다.
엑스. 감사의 글
나는이 매우 흥미로운 도전 일할 수있는 기회에 대한 존 Kirichenko 및 공장 직원에게 감사를 좋아하고 나의 동료 번드 Schmidtke 것, 물리 공학과. 이 프로젝트에 대한 그의 뛰어난 작품과 통찰력.
XI. 참고 문헌
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폴 C. Buddingh 선더 베이에있는 레이크 헤드 대학을 졸업, 온타리오, 캐나다 전기 공학 학위. 졸업 후, 그는 토론토에서 작업 몇 년 동안, 캐나다 전기 컨설팅 엔지니어로 중공업에서 근무. 에 1991, 낮은 전압 시스템에서 제로 시퀀스 고조파 문제를 해결하는 새로운 자기 방식을 개발 한 그가 공동 설립 한 회사. 에 1997, 그는 밴쿠버로 이동, 캐나다 유니버셜 역학에 가입. 그는 대한 고조파 필터를 설계하고 설치 한 15 년. 그의 작품은 어려운 부하 고 신뢰성 전력 시스템 설계를 중심으로, 아메리카에 걸쳐 전력 변환기 문제와 산업의 고객 번호 분해능 시스템 문제. 그는 온타리오 지방에 등록 된 엔지니어, 매니토바 브리티시 컬럼비아 여러 IEEE 논문의 저자.