Harmônicos Generation, Propagação e purga Técnicas de cargas não-lineares

Hadeed Ahmed Sher¹, Khaled E. Addoweesh ¹ e Yasin Khan²

^[1] Departamento de Engenharia Elétrica, King Saud University, Riyadh, Arábia Saudita

^[2] Departamento de Engenharia Elétrica, King Saud University, Riyadh, Saudi Aramco ArabiaSaudi Chair em Energia Elétrica, Departamento de Engenharia Elétrica, King Saud University, Riyadh,

1. Introdução

Revolução Industrial transformou a vida inteira com melhorias tecnológicas avançadas. A maior contribuição na revolução industrial é devido à disponibilidade de energia eléctrica que é distribuído através de empresas de energia elétrica em todo o mundo. O conceito de qualidade de energia, neste contexto, está a emergir como um "direito fundamental" do usuário para a segurança, bem como para o funcionamento ininterrupto de seus equipamentos. Os usuários de eletricidade tanto domésticas ou industrial, precisa de energia, livre de falhas, distorções, tremer, ruídos e interrupções. O utilitário deseja que os usuários usam equipamentos de boa qualidade, de modo que eles não produzem ameaças de qualidade de energia para o sistema. O uso de dispositivos baseados em energia eletrônicos neste mundo industrial salvou generosidades em termos de economia de combustível e de energia, mas por outro lado tem criado problemas devido à geração de harmónicas. Ambos os usuários comerciais e domésticos usar os dispositivos de comutação com base eletrônica de potência que atraem corrente harmônica. Esta corrente é um fator dominante na produção de tensões harmonicamente poluídas. O "direito fundamental" do usuário é ter uma fonte de energia limpa, Considerando que a demanda de utilidade é ter instrumento de boa qualidade / equipamento. Isso faz com que a qualidade da energia de um ponto de interesse comum para ambos os usuários, bem como o utilitário. Harmônicos sendo um tema quente dentro do domínio da qualidade de energia tem sido uma área de discussão desde há décadas e vários padrões de projeto foram criadas e publicadas por várias organizações e instituições internacionais para a manutenção de uma fonte de alimentação harmonicamente livre. Em um cenário mais amplo, o ambiente harmonicamente livre significa que as harmónicas geradas pelos dispositivos e a sua presença no sistema está confinada nos limites admissíveis de modo que elas não causam qualquer dano para os componentes do sistema de alimentação, incluindo os transformadores, isoladores, interruptor-engrenagens etc.. A desregulamentação dos sistemas de energia está forçando os utilitários para purgar os harmônicos no final de sua geração, antes se trata da aerodinâmica principal e torna-se uma causa possível do sistema das Nações Unidas para a estabilidade. O esquema de três estágios possível para controle de harmônicos é

Identificação de fontes harmônicas
Medição do nível de harmônicos
Técnicas de purga Possíveis

Para seguir o esquema acima das concessionárias de energia tem R&D secções que estão envolvidos na investigação contínua para manter os níveis de harmónicas dentro dos limites permitidos. Harmônicos de freqüência de energia problemas que têm sido uma área constante de pesquisa são:

Correção do fator de potência em ambiente poluído harmonicamente
Falha de isolamento do sistema de coordenação
Distorção de forma de onda
De-avaliação de transformador, cabos, switch-engrenagens e capacitores para correção do fator de potência

Os desafios de investigação acima mencionadas são lidou com a ajuda de órgãos reguladores que estão focados tanto na concepção e implementação de normas de controle de harmônicos. Consórcios de engenharia, como IEEE, IET, e IEC projetamos normas que descrevem os limites permitidos para as harmônicas. A estimativa, medição, análise e de purga técnicas de harmônicos são uma área importante de estresse que precisa de um aperto firme de engenheiros de qualidade de energia. Hoje em dia, para além dos métodos tradicionais, tais como uma ligação Y-Δ para 3^rd supressão de harmônicas, métodos modernos, baseados em técnicas de inteligência artificial auxilia os engenheiros de utilidade para reprimir e purgar os harmônicos de uma forma melhor. As abordagens modernas incluem:

A lógica fuzzy baseado filtros harmônicos ativos
Wavelet técnicas para análise de formas de onda
PWM técnicas sofisticadas para comutação de switches de eletrônica de potência

O foco deste capítulo é explicar todas as possíveis fontes de geração de harmônicos, identificação de harmônicos, seu nível de medição, bem como as suas técnicas de supressão de purga /. Este capítulo será útil para todos os engenheiros elétricos em geral, e os engenheiros de serviços públicos, em particular.

2. Quais são harmônicos?

Em energia elétrica projetando os harmônicos prazo refere-se a uma forma de onda senoidal que é um múltiplo da frequência de sistema. Portanto, a freqüência que é três vezes o fundamental é conhecida como terceiro harmônicos; cinco vezes o fundamental é quinto harmônico; e assim por diante. As harmónicas de um sistema pode ser definido utilizando geralmente o eq. 1

nome hfac =

Onde f_h h é a^ª harmônico e f_CA é a freqüência fundamental do sistema.

Harmônicos seguir uma lei do inverso no sentido de que quanto maior o nível harmônico de uma freqüência harmônica especial, menor é a sua amplitude como mostrado na Fig.1. Portanto, geralmente em linha de energia harmônicos harmônicos de ordem não é dada muita importância. O vital e os harmônicos mais problemáticos são, portanto, 3^rd, 5^ª, 7^ª, 9^ª, 11^ª e 13^ª. A expressão geral de harmônicos formas de onda é dado em eq. 2

VN = Vrnsin (nωt)

Onde, Em_rn é a tensão rms de qualquer freqüência particular (linha harmônica ou poder).

Os harmônicos que são múltiplos ímpares da freqüência fundamental são conhecidos como Odd harmônicos e aqueles que são mesmo os múltiplos de frequência fundamental são denominados como harmônicos. As freqüências que estão entre os pares e ímpares harmônicas são chamadas inter-harmônicos.

Embora, a demanda ideal para qualquer empresa de energia é ter correntes senoidais e tensões no sistema de AC, isto não é para todos os tempos promissores, as correntes e tensões, com formas de onda complexas que ocorrem na prática. Assim, qualquer forma de onda complexa gerada por tais dispositivos é uma mistura de fundamental e as harmónicas. Portanto, a tensão através de um sistema de harmonicamente poluído pode ser expressa em numericamente eq. 3,

V = Vfpsin(ot F1)+ V2psin(2ot F2)+ V3psin(3ot F3)+ Vnpsin(nωt φn)

Onde,

Em_fp = Valor de pico da freqüência fundamental

Em_{por exemplo,}= Valor de pico do n^ª componente harmônico

φ = ângulo da freqüência respeitado

Figura 1.

Formas de onda fundamentais e harmônicos de freqüência

Similarmente, a expressão para uma dada corrente através do circuito de um sistema de harmonicamente poluído é dado pela expressão dada em eq. 4

I = Ifpsin(ot F1)+ I2psin(2ot F2)+ I3psin(3ot F3)...... Inpsin(nωt φn)

Componentes harmônicas são também denominados como positiva, negativa e de seqüência zero. Neste caso, as harmónicas que muda com o fundamentais são chamados positivo e aqueles que têm sentido oposto com a fasor fundamentais são chamados componentes de sequência negativa. Os componentes de zero não tomar qualquer efeito a partir do fundamental e é considerado neutro em seu comportamento. Direção Phasor é bastante importante no caso de motores. Componente de seqüência positiva tende a acionar o motor na direção correta. Considerando que a componente de seqüência negativa diminui o torque de útil. O 7^ª, 13^ª, 19^ª etc. são componentes positivos da sequência. Os componentes são de sequência negativa 5^ª, 11^ª, 17^ª e assim por diante. Os harmônicos componentes zero são 3^rd, 9^ª, 15^ª etc. À medida que a amplitude das harmónicas diminui com o aumento da ordem harmónica, por conseguinte, em sistemas de energia os utilitários estão mais preocupados com os harmônicos até 11^ª só fim.

3. Geração Harmônicos

Na maioria dos casos, os harmônicos em tensão é um produto direto das correntes harmônicas. Portanto, as correntes harmônicas é a verdadeira causa da geração de harmônicos. Linha eléctrica harmônicos são gerados quando uma carga puxa uma corrente não-linear a partir de uma tensão senoidal. Hoje em dia todos os computadores usam Chave Supplies Power Mode (SMPS) que a tensão AC utilitário de conversão para regular baixa tensão DC para componentes eletrônicos internos. Estas fontes de alimentação têm maior eficiência em relação às fontes de alimentação lineares e tem algumas outras vantagens também. Mas sendo baseado em comutação de princípio, Estas fontes de alimentação não recebem corrente de alta amplitude pulsos curtos. Estes pulsos são ricos em harmônicos e produzir queda de tensão através da impedância do sistema. Assim, ele cria muitas fontes de tensão em pequenas séries, com a principal fonte de CA, conforme mostrado em Fig.2. Aqui em Fig.2 Eu₃ refere-se ao terceiro componente harmónica da corrente consumida pela carga não-linear, Eu₅ é o quinto componente harmónica da corrente de carga e assim por diante. R mostra a resistência distribuída da linha e as fontes de tensão são mostrados para elaborar o factor acima explicado. Portanto, estes pulsos de corrente de curto criar distorções significativas na forma de onda de tensão e corrente elétrica. Esta distorção em forma é referida como uma distorção harmônica e sua medição é realizada em termos de distorção harmônica total (THD). Esta distorção viaja de volta para a fonte de energia e pode afetar outros equipamentos ligados à mesma fonte. Qualquer equipamento SMPS instalado em qualquer lugar no sistema tem uma propriedade inerente a gerar distorção contínua da fonte de energia que coloca uma carga extra no sistema da concessionária e os componentes instalado nele. Harmônicos também são produzidos por motores elétricos e conversores CC-CC instalados em configurações industriais. Fonte de Alimentação Ininterrupta (UPS) e Lâmpada Fluorescente Compacta (CFL) são também uma fonte importante de harmónicas em um sistema. Normalmente harmônicos altos resultados ímpares de um conversor de eletrônica de potência. Em síntese, os harmônicos são produzidos em uma rede elétrica por [2, 16, 26, 42]

Retificadores
Uso de núcleo de ferro em transformadores de potência
Equipamento de soldadura
Variadores de velocidade
Comutação periódica de tensão e correntes
Geradores de corrente alternada por abertura de ar não-sinusoidal, distribuição de fluxo ou ripple dente
Dispositivos de comutação como SMPS, UPS e CFL

Vale ressaltar aqui que as harmônicas de tensão pode surgir diretamente devido a um gerador de corrente alternada, devido a uma abertura de ar não-sinusoidal, distribuição do fluxo, ou para ripple dente, que é causada pelo efeito das ranhuras, que abrigam os enrolamentos. Em sistemas de abastecimento de grandes, o maior cuidado é tomado para assegurar uma saída senoidal do gerador, Mas, mesmo neste caso, qualquer não-linearidade no circuito dará origem a gaita na onda de corrente. Harmônicos também pode ser gerado por os núcleos de ferro nos transformadores. Tais núcleos de transformadores tem uma curva BH não linear [37].

Figura 2.

Distorção de tensão devido à corrente não-linear

4. Problemas associados com harmônicas

Harmonicamente sistema poluída tem muitas ameaças para a sua estabilidade. Ele não só dificulta a qualidade de energia (PQ) mas quando uma corrente rica em harmónicas, é desenhada por algum dispositivo, que sobrecarrega o sistema. Por exemplo terceira corrente harmônica tem uma propriedade que ao contrário de outro componente harmônico, acrescenta-se no fio neutro do sistema. Isso resulta em falso disparo do disjuntor. Afeta também o isolamento do cabo neutro. A sobrecarga dos cabos devido à corrente harmonicamente poluído aumenta as perdas associadas com os fios. Além disso, deve ser mantido em mente que só a força de componente fundamental é a potência útil, descansar tudo são perdas. Estas perdas adicionais tornam os pobres do fator de potência, que resulta em mais perdas de energia. Os efeitos resumidos globais de harmônicos no sistema de energia incluem o seguinte [9, 18, 39]

Freqüências harmônicas podem causar condição ressonante quando combinado com capacitores para correção do fator de potência
Aumento das perdas em elementos do sistema, incluindo transformadores e geradores de plantas
Envelhecimento de isolamento
A interrupção no sistema de comunicação
Falso disparo dos disjuntores
Grandes correntes em fios neutros

Os transformadores de distribuição tem uma conexão Δ-Y. No caso de uma terceira corrente harmónica muito a corrente que está preso no condutor neutro cria calor que aumenta o calor no interior do transformador. Isto pode levar à diminuição da vida útil e-de classificação de transformador. Os diferentes tipos de harmônica têm o seu próprio impacto sobre o sistema de energia. Por exemplo, vamos considerar o 3^rd harmônico. Contrariamente ao sistema de fase três equilibrada, onde a soma de todas as três fases é zero em um sistema neutro, o terceiro harmônico de todas as três fases é idêntico. Por isso, acrescenta-se no fio neutro. O mesmo é aplicável em triplo-n harmónicas (múltiplo ímpar de 3 vezes fundamental como 9^ª, 15^ª etc). Essas correntes harmônicas são a principal causa de falso disparo e falha do relé de proteção de falta à terra. Eles também produzem calor no fio neutro, assim, um sistema precisa de um fio neutro mais espessa se tiver terceiro poluição harmônica nele. Se um motor é fornecido uma onda de tensão com o terceiro conteúdo harmônico nele, ela só vai desenvolver perdas adicionais, como o poder útil trata apenas do componente fundamental.

5. Padrões de monitoramento Harmônicos

A identificação de harmônicos como um problema em redes de alimentação AC, tem forçado os utilitários e as autoridades reguladoras para elaborar as normas para harmônicos monitoramento e avaliação. As normas para controle de harmônicos, assim, abordar tanto os consumidores e o utilitário. Portanto, se o cliente não está cumprindo os regulamentos e está a criar distorção de tensão no ponto de acoplamento comum o utilitário pode penalizar a ele / ela. Vários renomados institutos de engenharia, como IEEE, IEC e IET criaram leis para limitar a injeção de conteúdo harmônico na grade. Estes padrões são principalmente útil para alcançar um sistema de qualidade de energia saudável amigável. Padrões IEEE são amplamente citados para a sua capacidade de responder a todas as regiões do mundo. Há mais de 1000 Padrões IEEE em campos de engenharia elétrica. Padrões IEEE sobre qualidade de energia, contudo, são a nossa principal fonte de inspiração aqui. IEEE padrão no controle de harmônicos no sistema de energia elétrica foi publicado em 1992 e que abrange todos os aspectos relacionados com a gaita [7]. Ele define os harmônicos máxima distorção de até 5 % em níveis de tensão ≤ 69kV. Contudo, como os níveis de tensão são o aumento dos limites admissíveis para harmônicos nesta norma são diminuiu para 1.5 % em todas as tensões ≥ 161 kV. Também vale a pena mencionar que a tensão indivíduo distorção começa a partir de 3 % e termina às 1.0 % para os níveis de tensão de 69kV e ≤ ≥ 161 kV, respectivamente. Além das normas que são projetados tendo em vista as exigências globais, autoridades regionais conceber os seus próprios padrões de acordo com seu perfil de carga e as condições climáticas. A maioria dos padrões são feitas de acordo com os requisitos regionais do país, enquanto alguns são baseadas nas necessidades e requisitos globais. Na Arábia Saudita, existe uma entidade reguladora que define os limites admissíveis e procedimentos operacionais padrão para transmissão de energia elétrica, distribuição e geração. Este corpo é conhecido como eletricidade e co-geração de autoridade reguladora [38]. Além da elaboração de normas que também seguir algumas normas definidas pelas empresas de distribuição de energia dos Emirados Árabes Unidos. Um padrão tal definido pela Arábia Electric Company (SEC) em 2007 e é conhecida como "A Arábia Grade Code". Harmônicos limite estabelecido pela autoridades sauditas é quase o mesmo que o padrão IEEE, mas com um limite flexível pouco de 3% THD para todas as redes que operam dentro da faixa de 22kV-400kV [35, 38]. Mesa 1 compara o padrão IEEE, a empresa de distribuição de Abu Dhabi e do padrão SEC para os harmônicos limitar na rede elétrica. É interessante mencionar que IEEE padrão para controlar harmônicos é silenciosa para as condições em que um sistema está poluída com inter-harmônicos (freqüências não-inteiros da freqüência fundamental). Para essas condições concessionárias de energia usar IEC número padrão 61000-2-2.The IEC também define as categorias para diferentes dispositivos eletrônicos em número padrão 61000-3-2. Estes dispositivos são, em seguida, submetido a diferentes limites admissíveis de THD. Por exemplo, classe A tem todo o equipamento equilibrado trifásico, ferramentas não-portáteis, equipamento de áudio, dimmers para só lâmpada incandescente. O limite para a classe A é variado de acordo com a ordem harmônica. Assim, para os dispositivos da classe A a corrente máxima permitida é harmônica 1.08 A sobre 2^ª, 2.3A sobre 3^rd, 0.43A sobre 4^ª, 1.14A sobre 5^ª harmônicos. A beleza deste padrão IEC é que ele também serve para fator de potência. Por exemplo, todos os dispositivos de classe C (equipamentos de iluminação diferente do dimmer lâmpada incandescente) ter 3^rd limite de corrente harmônica em função do fator de potência do circuito.

	SEC Padrão	Abu Dhabi Distribuição Companhia	Limites IEEE
Harmônicos	Limite de THD é 5% para 400 O sistema, e 4% e 3% para 6.6- 20kV e 22kV-400kV respectivamente	Limite de THD é 5% para 400 O sistema, e 4% e 3% para 6.6- 20kV e 22kV-400kV respectivamente	5% para todos os níveis de tensão abaixo 69kV e 3% para todas as tensões acima referidas 161 kV

Mesa 1.

Comparação de Harmônicas Standards [7, 35, 38]

Os modernos sistemas baseados em técnicas de inteligência artificial, como lógica fuzzy, Cálculos baseados ANFIS e CI estão reduzindo a dificuldade de mineração de dados que ajuda na reformulação das normas para harmônicos de qualidade de energia [24, 25]. Em países desenvolvidos, como a Austrália, Canadá, EUA as empresas de distribuição do poder já estão parcialmente deslocado para smart grid e eles estão usando sofisticados sensores e instrumentos de medição.

Em termos de ambiente de rede inteligente estes sensores vai ajudar na mitigação dos problemas, prevendo-los com antecedência. Smart grid, por meio de medidas inteligentes e com a ajuda de algoritmos sofisticados será capaz de prever os problemas de QE como harmônicos, atual com antecedência culpa. É pertinente mencionar que a qualidade de energia monitoramento usando as tecnologias em curso 3G foi implementada por pesquisadores chineses. Eles usaram módulo de GPRS, que é capaz de analisar os dados em tempo real e seu algoritmo faz com que seja inteligente o suficiente para obter a informação desejada PQ [22].

5. Medição Harmônicos

O verdadeiro desafio em um ambiente harmonicamente poluído é compreender e designar o melhor ponto para medir os harmônicos. Hoje em dia a revolução na eletrônica tem desarrumada o sistema AC tanto que quase todos os usuários em um utilitário é um contribuinte para a corrente harmônicas. Além disso, o perfil de carga em qualquer área interna varia de uma hora para outra dentro de um dia. Portanto, a fim de lidar com a demanda de energia e melhorar o fator de potência, utilitários necessidade de ligar e desligar os capacitores para correção do fator de potência. Esta comutação periódica e não uniforme também cria harmónicos no sistema. A informação de carga em uma área embora, fornecer algumas informações básicas sobre a ordem do harmônico presente em um sistema. Essa informação é muito útil, pois dá uma visão do olho da ave de conteúdo harmônico. Mas, para a identificação exata dos harmônicos é necessário para sintetizar a forma de onda distorcida utilizando o analisador de qualidade de energia ou usando algum osciloscópio digital para Fast Fourier Transform (FFT). Por exemplo Fig.3 mostra uma síntese geral da corrente absorvida por um rectificador controlado. Uma vez identificado, o nível e tipo de harmônicos (3^rd, 5^ª etc) os passos para a mitigação pode ser concebido. Deve-se ter em mente que a medida adequada é a chave para a concepção adequada de filtros de harmônicas. Mas o nível de harmónicas podem diferir em diferentes pontos de medição em um sistema. Portanto, utilitários precisa ser muito preciso na identificação do ponto correto para a medida harmônica em um sistema. Entre as normas, É padrão IEEE 519-1992 que descreve os procedimentos operacionais para a realização das medições harmônicas. Esta norma no entanto não indica qualquer restrição quanto à duração integração dos equipamentos de medição com o sistema. É contudo, restringe a utilidade de manter um registro para registros mensais de demanda máxima [5]. Vários dispositivos são usados em apoio uns com os outros para executar as medições em um sistema de harmónicas. Estes incluem a seguinte

Power Quality Analyser
Transdutores de transformadores de instrumentos baseados (CT e PT)

Figura 3.

Corrente de linha típica de um conversor controlado [26]

Várias empresas de renome estão projetando e produzindo excelentes analisadores PQ. Estes incluem FLUKE, AeMC, HIOKI, DRANETZ e ELSPEC. Estas empresas projetar fase única e três analisadores PQ fase que são capazes de medir todas as freqüências harmônicas dominantes. O equipamento que é usado para a medição harmônica também é ligado a algumas limitações para a medida harmônica adequada. Esta limitação é de natureza técnica como para a medição precisa de todas as correntes harmônicas abaixo da 65^ª harmônico, a frequência de amostragem deve ser amostras de pelo menos duas vezes a largura de banda de entrada desejada ou 8k por segundo, neste caso,, para cobrir sistemas de 50Hz e 60Hz [5]. Principalmente, analisadores PQ são fornecidos junto com as sondas com base CT, mas dependendo da tensão e corrente de um designer pode escolher o CT e PT com faixa de freqüência de operação ampla e baixa distorção. A distância do equipamento com o transdutor é também muito importante para medir harmónicas. Se a distância é longa, em seguida, o ruído pode afetar a medição, por conseguinte, os cabos devidamente blindado como cabo cabos de fibra óptica ou coaxial são altamente recomendados pelos peritos [5]. Em resumo, a medição dos harmónicos devem ser feitas no ponto de acoplamento comum (PCC) ou no ponto em que a carga não-linear está ligado. Isso inclui instalações industriais em especial, já que são os contribuintes do núcleo em injetar correntes harmônicas no sistema.

6. Harmônicos técnicas de purga

Técnicas foram projetados e testados para resolver esta questão de qualidade de energia desde que o problema é identificado pelos pesquisadores. Existem várias técnicas na literatura que aborda a mitigação de harmônicas. Todas estas técnicas podem ser classificadas sob a égide da seguinte

Filtro harmônico passivo
Filtro harmônico ativo
Filtro harmônico híbrido
Técnicas de comutação

6.1. Filtros de harmônicas passivos

Técnicas de filtro passivo estão entre os mais antigos e talvez as técnicas mais utilizadas para filtrar as harmônicas da linha de energia. Além da redução de harmónicas filtros passivos pode ser utilizada para a optimização da potência aparente de uma rede de energia. Eles são feitos de elementos passivos como resistores, capacitores e indutores. O uso desses filtros precisa de grandes capacitores e indutores, tornando assim o filtro global mais pesado no peso e caro no custo. Esses filtros são fixos e uma vez instalado, eles se tornam parte da rede e eles precisam ser redesenhados para obter diferentes frequências de filtragem. Eles são considerados os melhores para a rede de quatro fios trifásico [18]. São na maior parte do filtro passa-baixa que está sintonizado com freqüências desejadas. Giacoletto e Parque apresentou uma análise sobre a redução da linha de harmônicos de corrente devido a fontes de alimentação de computadores pessoais [10]. O seu trabalho sugere que o uso de tais filtros é bom para a redução harmónicas mas isso irá aumentar a componente reactiva da corrente de linha. Diversos tipos de técnicas de filtros passivos são dadas abaixo [18, 19].

Série filtros passivos
Shunt filtros passivos
Filtros passa-baixa ou filtros armadilha linha LC
Transformadores de mudança de fase

6.1.1. Série filtros passivos

Série filtros passivos são tipos de filtros passivos que tenham um filtro LC paralelo, em série com a carga de alimentação eo. Série filtro passivo mostrado na Fig.4 são considerados bons para aplicações de fase única e especialmente para mitigar os terceira harmónicas. Contudo, que pode ser sintonizado para frequências também outros. Eles não produzem ressonância e oferecem alta impedância para as frequências que são ajustadas para. Estes filtros devem ser concebidos de tal modo que eles possam transportar uma corrente de carga integral. Esses filtros são livres de manutenção e pode ser projetado para valores de potência significativamente elevados até MVARs [4]. Comparando-se com as soluções que empregam partes rotativas como compensadores síncronos eles precisam menor manutenção.

Figura 4.

Filtro Series Passive [18]

6.1.2. Shunt filtros passivos

Estes tipos de filtros também são baseados em elementos passivos e oferecer bons resultados para filtrar harmônicos ímpares especialmente o 3^rd, 5^ª e 7^ª. Alguns pesquisadores têm chamado-los como filtros sintonizados individuais, segunda ordem amortecida filtros e tipo C amortecida filtros [3]. Como todos esses filtros vêm em paralelo com a linha que caem sob a cobertura de shunt filtros passivos, como mostrado na Fig.5. O aumento da ordem de harmônicos faz o filtro mais eficiente no trabalho mas reduz a facilidade na concepção. Eles fornecem baixa impedância para as frequências que estão sintonizados para. Uma vez que eles são ligados em paralelo, portanto, eles são projetados para transportar somente corrente harmônica [18]. A sua natureza de estar em shunt torna-se uma carga para o lado da oferta e pode transportar 30-50% corrente de carga se eles estão alimentando um conjunto de acionamentos elétricos [13]. Aspectos econômicos revelam que os filtros de derivação são sempre econômico do que os filtros da série devido ao fato de que eles precisam para ser concebido apenas nas correntes harmônicas. Por isso, eles precisam de dimensão relativamente menor de L e C, reduzindo assim o custo. Além disso, eles não são concebidas no que respeita à tensão nominal, assim, faz com que os componentes menos caro do que os filtros da série [33]. Contudo, estes tipos de filtros pode criar condições de ressonância no circuito.

Figura 5.

Diferentes filtros shunt tipo de ordem [3]

6.1.3. Filtro passa-baixa

Filtros passa baixo são amplamente utilizados para mitigação de todos os tipos de freqüências harmônicas acima da frequência mínima. Eles podem ser usados apenas em cargas não lineares. Eles não representam qualquer ameaça para o sistema, criando condições de ressonância. Eles melhoram factor de potência, mas estes devem ser concebidos de tal modo que eles são capazes de transportar uma corrente de carga integral. Alguns pesquisadores têm se referido a eles como filtros armadilha linha LC [19]. Estes filtros bloquear os harmônicos indesejados e permitir uma certa faixa de freqüências para passar. Contudo, concepção muito fino é necessário, tanto quanto a frequência de corte é em causa.

6.1.4. Transformadores de mudança de fase

Os harmônicos desagradáveis em sistema de energia são harmônicos principalmente ímpares. Uma maneira de bloqueá-los é utilizar transformadores de mudança de fase. Leva harmônicos de mesmo tipo a partir de várias fontes em uma rede e desloca-los alternadamente a 180 ° graus e, em seguida, combiná-los resultando em cancelamento. Nós lhes classificado sob filtros passivos como transformador se assemelha a uma rede indutiva. O uso de mudança de fase transformadores produziu um sucesso considerável na supressão harmônicos em conversores híbridos multinível [34]. S. H. H. Sadeghi et.al. projetado um algoritmo que com base no perfil harmônico incorpora a mudança de fase dos transformadores em grandes montagens industriais como a indústria siderúrgica [36].

6.2. Filtros de harmônicas ativos

Em um filtro activo (APF) usamos eletrônica de potência para introduzir componentes de corrente para remover distorções harmônicas produzidas pela carga não-linear. Figura 6 mostra o conceito básico de um filtro ativo [27]. Eles detectar os componentes harmónicos na linha e, em seguida, produzir e injectar um sinal de inversão da onda detectado no sistema [27]. As duas forças motrizes da pesquisa de APF são o algoritmo de controle para a corrente e carregar método de análise atual [23]. Filtros harmônicos ativos são usados principalmente para redes de baixa tensão devido à limitação colocado pela classificação exigida no conversor de energia [21].

Figura 6.

Demonstração conceitual de filtro ativo [27]

Eles são usados mesmo em aeronaves do sistema de energia para a eliminação harmônica [6]. Como filtros passivos mesmas são classificadas em relação ao método de ligação e são dadas abaixo [40].

Série filtros ativos
Shunt filtros ativos

Desde, ele usa componentes baseados poder eletrônico, portanto, na literatura uma grande quantidade de trabalho tem sido feito sobre o controlo dos filtros ativos.

6.2.1. Série filtro ativo

O filtro de série está ligado em série com a rede de distribuição de corrente alternada, como mostra em Fig.7 [33]. Ele serve para compensar as distorções harmónicas causadas pela carga, bem como aquele presente no sistema de corrente alternada. Estes tipos de filtros activos são ligados em série com a carga, utilizando um transformador de adaptação. Eles injectar tensão como um componente e pode ser considerado como uma fonte de tensão controlada [33]. A desvantagem é que eles só servem para harmônicas de tensão e, em caso de curto-circuito em carga O transformador tem de suportá-lo [31].

6.2.2. Shunt filtro ativo

O filtro em paralelo está ligado em paralelo com a rede de distribuição de CA. Filtros paralelas também são conhecidos como filtros de derivação e compensar as distorções harmônicas causadas pela carga não-linear. Eles trabalham no mesmo princípio de filtros ativos, mas eles estão conectados em paralelo, como declarou que é que eles agem como uma fonte de corrente em paralelo com a carga [21]. Eles usam altas capacidades computacionais para detectar os harmônicos em linha.

Figura 7.

Série filtros ativos [33]

Principalmente sensores baseados em microprocessadores ou micro-controlador são utilizados para estimar as harmónicas e decidir a lógica de controle. Dispositivos semicondutores de potência são utilizados especialmente o IGBT. Alguns pesquisadores afirmam que raramente antes do advento dos filtros ativos IGBTs foram usar devido à superação do orçamento [11]. Contudo, apesar da sua utilidade shunt filtros ativos têm muitas desvantagens. Praticamente eles precisam de um grande inversor PWM Classificado com resposta rápida contra parâmetros do sistema mudanças. Se o sistema tem filtros passivos ligados algures, como no caso de filtros híbridos, em seguida, as correntes injetadas podem circular nelas [28].

6.3. Filtros harmônicos híbridos

Estes tipos de filtros combinar os filtros passivos e ativos. Eles contêm as vantagens de filtros ativos e não têm as desvantagens dos filtros passivos e ativos. Eles usam de baixo custo de alta potência filtros passivos para reduzir o custo dos conversores de energia em filtros ativos é por isso que eles são agora muito popular na indústria. Filtros híbridos são imunes à impedância do sistema, portanto, a compensação harmônica é feito de uma maneira eficiente e eles não produzem a ressonância com impedância do sistema [29]. As técnicas de controlo utilizados para estes tipos de filtros são baseadas no controlo instantâneo, na teoria p-q e i_d-Eu_q. K.N.M.Hasan et.al. apresentou um estudo comparativo entre o p-q e i_d-Eu_q técnicas e concluiu que, em caso de tensão distorções do i_d-Eu_q método fornece resultados ligeiramente melhores [12]. Eles são usualmente combinados os seguintes maneiras [21]

Série Passive série ativo filtros híbridos
Série Passive filtros híbridos Activo Paralelo
Shunt Passive filtros série ativo híbridos
Shunt Passive filtros híbridos Activo Paralelo

6.3.1. Série Passive série ativo filtros híbridos

Estes tipos de filtros híbridos têm ambos os tipos de filtros ligados em série com a carga, como mostrado na Fig.8 e são considerados bons para retificadores a diodo alimentando uma carga capacitiva [32]

6.3.2. Série Passive filtros híbridos Activo Paralelo

Esta raça do filtro híbrido tem parte passiva em série com a carga e filtro ativo em paralelo. AdilM. Al-Zamil et al. proposto esse tipo de filtros em seu papel e usou a capacidade de alta potência. de filtro passivo, colocando-os em série com a carga. Eles usaram um filtro ativo com pulso espaço vetorial com modulação (SVPWM) e implementado nas micro-controlador. Eles usaram sensores atuais só linha para calcular todos os parâmetros necessários para a referência atual geração. Seu sistema proposto funcionou de forma satisfatória até o 33^rd harmónica e os resultados mostrados baseiam-se num sistema com a linha de reactância 0.13 poderia. Em seu sistema de largura de banda necessária para o filtro ativo é relativamente menos devido ao filtro passivo que cuida de subida e descida do corrente de carga. Eles propuseram que, enquanto concepção de sistema híbrido do filtro de linha L e capacitância C do filtro ativo precisa de um compromisso na seleção dependendo do nível aceitável de comutação de tensão de ondulação ripple freqüência da corrente e mínimo aceitável [1].

6.3.3. Shunt Passive filtros híbridos Activo Paralelo

Estes tipos de filtros tem ambos os filtros passivos e activos ligados em paralelo com a carga, como mostrado na Fig.9 [21]. Em um estudo comparativo J.Turunen et al. alegaram que exigem menor rácio de transformação de acoplamento transformador como resultado, eles precisam de uma classificação bastante alta potência para uma carga pequena e, em caso de alta potência carrega o problema de corrente contínua os resultados do controlo ligação em filtragem atual pobres [43].

6.3.4. Shunt Passive filtros série ativo híbridos

Como o seu nome indica, é uma espécie de filtro híbrido que tem um filtro activo em série e um filtro passivo em derivação, como mostrado na Fig.10. J. Turunen et ai. Em um estudo comparativo afirmou que esta raça de filtro híbrido utiliza rácio de transformação muito pequena, portanto, para a mesma classificação de carga sua classificação de potência necessária é grande em comparação com a carga [43].

Figura 8.

Série Passive série ativo filtros híbridos [32]

Figura 9.

Shunt Passive filtros híbridos Activo Paralelo [21]

Figura 10.

Série Ativo filtros híbridos derivação passiva [29]

6.4. Técnicas de comutação

Além de utilizar o método de instalação de filtros, Eletrônica de Potência é tão versátil que até certo ponto harmônicos pode ser eliminada através de técnicas de comutação. Estas técnicas podem variar de o aumento do número de impulsos para avançar pulso algoritmo baseado Width Modulation (PWM). O PWM triângulo seno mais amplamente utilizado foi proposto em 1964. Mais tarde, em 1982 Vector Space PWM (SVPWM) foi proposto [20]. PWM é uma técnica mágica de comutação que dá resultados únicos, variando os parâmetros associados, como índice de modulação, a freqüência de comutação e o rácio de modulação. A relação de modulação de frequência 'm'Se tomado como estranho remove automaticamente harmônicos [17, 26]. Aqui, o aumento da frequência de comutação reduz as correntes harmónicas, mas isto faz com que as perdas de comutação demasiado. Além disso, não podemos continuar a aumentar frequência de comutação porque este impõe os problemas EMC [15]. D.G.Holmes et al. apresentou uma análise para PWM transportadora base e afirmou que é possível utilizar algumas soluções analíticas para fixar o ponto o cancelamento harmônica, utilizando diferentes técnicas de modulação. Harmônicos banda lateral pode ser eliminado se o designer usa PWM singular ou assimétrica amostrados regulares [14]. A saída pode ser melhorada, jogando com o índice de modulação. Um tipo especializado de PWM é chamado Selective Harmonic Elimination (SHE) PWM ou do regime de eliminação harmônica programado. Esta técnica baseia-se na análise de Fourier da fase de tensão de terra. É basicamente uma combinação de comutação onda quadrada ea PWM. Aqui comutação adequada ângulos seleção faz com que o componente harmônico alvo de zero [26, 30]. Na técnica SHE um mínimo de 0.5 índice de modulação é possível [41]. Mas mesmo o melhor que ela deixou o sistema com alguns harmônicos não filtradas. J. Pontt et al. apresentada uma técnica de tratamento das harmónicas não filtradas devido à PWM ELA. Eles afirmaram que, se usarmos SHE PWM para eliminação de 11^ª e 13^ª harmônicos para 12 configuração de pulso, em seguida, os harmônicos de ordem 23^ª, 25^ª, 35^ª e 37^ª é um dos que desempenham um papel vital na definição das distorções na tensão. Eles propuseram o uso de ativos de nível três conversores de front-end. Eles sugeriram um índice de modulação de 0.8-0.98 para mitigar os harmônicos de ordem 23^rd, 25^ª e 35^ª, 37^ª [30]. Com algumas modificações investigadores têm mostrado que ELA PWM pode ser utilizado a muito baixa frequência de comutação de 350 Hz. Javier Napoles et al. apresentou esta técnica e dar-lhe um novo nome de Selective Harmonic Mitigação (SHM) PWM. Eles usaram sete estados de comutação e resultados faz com que os harmônicos seletivos igual a zero [8]. Isto é excelente já que em SHE PWM a necessidade harmônica selectiva não ser zero. É suficiente em PWM convencional para trazê-lo sob o limite permitido. Siriroj Sirisukprasert et al. apresentada uma técnica de redução óptima harmónica variando a natureza de forma de onda de saída em degraus e os índices de modulação variou. Eles testaram sua técnica proposta em inversores multiníveis que são melhores que os inversores convencionais dois níveis. Eles excluídos os pulsos muito estreitas e muito grande da onda de comutação. Ao contrário de SHE PWM como discutido acima eles garantiram a virada mínimo e desligar trocando seus interruptores apenas uma vez por ciclo. Contrariamente ao tradicional PWM ELA, neste caso, o índice de modulação podem variar até 0.1. A saída é uma forma de onda escalonados para diferentes etapas que classificam a produção de índice de modulação como alta, baixa e média e o verdadeiro ponto de interesse é que por todas estas três classes de índices de modulação a comutação é uma vez por ciclo por switch [41]. Alguns pesquisadores usaram método PWM trapezoidal para controle harmônico. Este tipo de PWM é baseada em comutação PWM unipolar. Aqui, uma forma de onda trapezoidal é comparada com uma forma de onda triangular e o PWM resultante é fornecido para os interruptores. Como outras técnicas de eliminação de harmônicas em técnicas PWM baseado pesquisadores propuseram o uso de técnicas baseadas AI incluindo FL e ANN.

7. Conclusão

Este capítulo resume um dos principais problemas de qualidade de energia, que é a razão de muitos distúrbios do sistema de potência em uma rede elétrica. As possíveis fontes de harmônicos são discutidos juntamente com os seus efeitos sobre os componentes do sistema de distribuição, incluindo os transformadores, engrenagens de comutação e do sistema de proteção. As normas regulamentares para a limitação de harmônicos e suas técnicas de medição também são apresentados aqui. Também são apresentadas as técnicas de purga de harmônicos e vários tipos de filtros harmônicos são brevemente apresentados. Para reforçar a base de conhecimento, Neste capítulo também discutiu o controle de harmônicos usando técnicas de PWM. Por este capítulo procurou-se recolher a informação técnica neste domínio. Uma boa compreensão dos harmônicos irá fornecer os engenheiros de utilidade de um quadro que é muitas vezes necessária na solução de trabalho de investigação relacionadas com harmônicos.