1. Introdução

Devido à grande aplicação de cargas não-lineares, harmônicos poluição é uma das principais preocupações para os sistemas de energia. Embora grande progresso tem sido feito na mitigação harmônica por parte dos fabricantes de dispositivos não-lineares, instalações industriais e empresas de serviços públicos, questões harmônicas graves ainda pode estar presente em sistemas de energia elétrica, especialmente quando as condições de mal acontecer tanto causadas por empresas de utilidade pública, ou por usuários finais em instalações industriais.

Inversores de freqüência variável (ACV) são mais utilizados em instalações industriais. Harmônicos característicos definidos pela IEEE std. 519-1992 baseiam-se em diferentes configurações do sistema de Inverssores[1]. Exceto algumas cargas especiais, tais como fornos de arco[1] e sistemas de tracção ferroviária que produzem harmônicos e outros harmônicos não-característicos no sistema, a maioria das instalações industriais com VFDs só tem harmônicos característicos e uma pequena quantidade de harmônicos não-característicos, que são geralmente abaixo dos limites até mesmo triplas e harmônicos propostas pelo IEEE std. 519-1992. Portanto, quando grande quantidade de harmónicas de não característicos estão presentes em um sistema de energia, ele geralmente indica que o sistema não é saudável e que solução de problemas é necessária para determinar as causas do problema.

Harmónicas de não característicos são investigadas[2-9]. É explicado em[2] que os harmónicos não são característicos causado por um módulo de tensão desequilibrada ou não-simétrico de fase. A amplitude das harmónicas de não característicos aumenta com o aumento da tensão sem simetria.

Dois casos são investigados neste trabalho por duas instalações industriais, mostrando grande conteúdo de harmônicos não-característicos. O primeiro caso é de um sistema de energia de mineração com dois retificadores nominal de 12MW cada e com um conjunto de filtros de harmônicas instalado. Extensa investigação é conduzida para este sistema baseado em ambas as medições e os resultados de simulação de computador. O segundo caso é de um sistema de distribuição de campos de petróleo com vários VFDs. A questão para este sistema é que as formas de onda de corrente na entrada da ACV estão seriamente distorcida.

2. Características e incaracterística Harmônicas de Retificadores

IEEE std. 519-1992[1] propõe correntes harmônicas geradas em uma ponte retificadora para uma condição ideal. "Ideal" baseia-se no pressuposto de que a corrente dc tem nenhuma ondulação e da corrente contínua é transferido de uma fase para a outra no instante em que a voltagem da fase de entrada excede a tensão na fase de saída[1]. Os componentes de correntes harmônicas para a condição ideal são derivados pelas seguintes equações[1]:

onde,

h : ordem harmônica

k e m : qualquer inteiro positivo

q : número de pulsos do circuito retificador

Eu_h: a amplitude da corrente harmônica de ordem h

Eu₁ : a amplitude da corrente fundamental

Para um retificador de 6 pulsos ou uma unidade de freqüência variável (VFD), as correntes harmônicas características são 5, 7, 11, etc. Para VFDs utilizando a técnica de multiplicação de fase como de 12 pulsos e 18 pulsos harmônicos entrada atenuante, algumas correntes harmônicas podem ser canceladas em relação às unidades de 6 pulsos. Como estados do IEEE 519-1992, se as seções m seis pulsos retificador [1]:

• Têm a mesma relação do transformador
• Tenha transformadores com impedâncias idênticas
• Estão desfasadas exactamente 60 / m graus uns dos outros
• São controladas exatamente no mesmo ângulo de atraso, e
• Compartilhe a corrente de carga dc igualmente

Mesa 1. Tensão limites de distorção harmônica baseados em IEEE std. 519-1992

Mesa 2. Os limites atuais de distorção harmônica baseados em IEEE std. 519-1992

Em seguida, o presente apenas harmónica na entrada da unidade irá ser da ordem de ± kq 1 como mostrado na Equação (1). Por exemplo, harmônicos característicos de sistemas CSC de 12 pulsos com fase dois retificadores deslocada em 30 ° são 11,13, 23, 25^ª,... Para os sistemas CSC de 18 pulsos com fase três retificadores desviado por 20 ° o menor harmônica característica é 17^ª. Para sistemas CSC 24 pulsos com fase quatro retificadores desviado por citadas no[1] que não há duas seções do retificador são idênticos em todos estes aspectos. Portanto, harmônicos não-característicos estará sempre presente na medida em que os requisitos acima não sejam cumpridos na prática.

IEEE std. 519-1992 propõe os limites de distorção harmônica recomendados (Tabelas 1 e 2), que são amplamente aceitos por várias indústrias. Ele é especificado na Tabela 2 que as harmónicas pares estão limitados a 25% dos limites harmônicos ímpares na tabela[1].

Em um retificador de 6 pulsos ou uma unidade de freqüência variável (VFD), as correntes harmônicas características são 5, 7, 11, etc. Para VFDs utilizando a técnica de multiplicação de fase como de 12 pulsos

3. Caso 1: Mesmo Harmônicos

Mesmo harmônicos estão normalmente presentes em quantidades muito pequenas e não são uma preocupação para os sistemas de energia, sob condições normais de operação. Contudo, grande quantidade de harmónicas pares poderiam ser gerados em alguns doentes, tais como as condições de mau funcionamento do equipamento. A situação poderia ser ampliado se o sistema contém filtros de harmônicas que possam excitar uma ressonância harmônica mesmo.

Estudo de caso 1 aborda um problema sério mesmo harmônico aconteceu em uma grande instalação de mineração que consiste em dois grandes retificadores de 6 pulsos nominal de 12MW cada. A configuração do sistema é mostrado na figura. 1.

Figura 1. A configuração do sistema para o Caso 1.

Grandes correntes harmônicas ainda foram detectados em ções localidades-chave do sistema março 2004. Grande 3^rd rendas atu harmônicas também foram encontrados. Esses altos harmônicos causar sérias preocupações e uma investigação foi realizada para descobrir a causa raiz do problema.

Devido a grande quantidade de 2, 3e correntes 4harmonic como mostrado nas Figuras. 8 e 9, as formas de onda de corrente aos dois rectificadores nas Figuras. 6 e 7 não revelam a forma de onda da corrente típica de rectificadores 6 pulsos. Para efeitos de comparação as correntes harmónicas dominantes nos pontos principais de medição encontram-se resumidos na Tabela 3. Correntes harmônicas dominantes medida nos dois retificadores em abril 2002 Também estão incluídos na mesma mesa.

Mesa 3. Medido espectros de correntes harmônicas março 2004 e abril 2002 no local chave da instalação.

Mesa 3 indica que 16.8% e 34.3% 2correntes harmônicas nd em percentagem da fundamental foram geradas por Retificadores 1 e 2 março 2004, respectivamente. O 4^ª correntes harmônicas são as segundas maiores harmônicos presentes na quantidade de 8.1% e 6.9% do fundamental para Retificadores 1 e 2. Os dois retificadores também gerou grande 3^rd correntes harmônicas no valor de 4.8% e 17.2% da fundamental. O 3^rd correntes harmônicas serão discutidos separadamente na próxima seção para o Caso 1.

Correntes harmônicas características e não características estavam fluindo a montante dos retificadores. Eles primeiro passou por CB6, o principal alimentador dos dois retificadores, thendistributed a outras partes do sistema de distribuição. Alguns harmônicos característicos como os 5 correntes harmônicas conheceu no ônibus comum, "Barramento principal Retificador", ea maioria deles foram cancelados devido à mudança de fase dos dois transformadores. Como mostrado na Tabela 3, o 5^ª corrente harmônica é 24.8% no retificador 1 e 17.1% no retificador 2, a maior parte do 5^ª correntes harmônicas são cancelados no barramento principal Retificador, e a 5^ª corrente harmônica permanece apenas 1.8% em CB6.

De acordo com os harmônicos não-característicos, o 2^ª corrente harmônica é reduzida a 12.2% da fundamental em CB6 do originalmente 16.8% e 34.3%, que é reduzido. Contudo, o 4^ª aumentos de correntes harmônicas para 26.9% da fundamental do originalmente 8.1% e 6.9%. Similarmente, amplificado 4^ª corrente harmônica, 15.4% da fundamental, Também é encontrado em CB3. A causa da amplificação da 4^ª corrente harmônica no circuito elétrico a montante é investigado pela realização do estudo e ressonância harmônica.

Uma análise por ressonância indica que, devido à ligação dos dois grupos de filtros harmónicas, os pontos de pico de impedância criados estão localizados no 4^ª freqüência harmônica (240Hz para o sistema 60Hz). Uma vez que os retificadores gerado uma quantidade significativa de correntes harmônicas mesmo, ressonância grave e amplificação ocorreu e resultou em grande 4^ª correntes harmônicas fluindo no sistema. As características de resposta de freqüência do sistema no 10 kV "retificador principal Bus" são mostrados na figura. 10. A curva característica de resposta de freqüência em 10 kV "barramento principal" ligado ao secundário do transformador de 25MVA é muito semelhante à figura 10.

Figura 10 indica, devido à ligação do 5^ª, 7^ª, 11^ª, e 13^ª filtros de harmônicas sintonizados único alguns que os pontos de pico de impedância localizados em 240Hz, 360Hz, 480Hz e 720Hz são criados. Para um sistema de 60Hz, estas frequências correspondem ao 4^ª, 6^ª, 8^ª e 12^ª harmônicos. Os pontos de impedância de pico são também conhecidos como pontos de ressonância. O 4^ª e 6^ª correntes harmônicas na Tabela 3 são aumentados significativamente CB6, este é o resultado da resonance.The harmónica 8^ª e 12^ª correntes harmônicas na Tabela 3 não mostram amplificação óbvio CB6 porque a indutância dos dois transformadores 7MVA nas agências retificadores bloquear parte desses ordem superior até mesmo correntes harmônicas passando para o sistema a montante.

O espectro de corrente harmônica tirada em um dos retos-cadores em abril 2002 mostra o conteúdo harmônico dos retos-cadores em condições normais de operação (Mesa 3). Verificou-se que harmónicas de não característicos incluindo a segunda, 3rd, 4ª, 6ª etc eram muito pequenos na época.

A análise indica que os dois retificadores gerar grande quantidade de harmônicas não características. Correntes harmônicas Thenon-características no quarto, 6freqüências harmônicas ª são amplificados devido a ressonância paralela no sistema. Essa é a razão que uma 26.9% 4^ª corrente harmônica foi detectado um t a 10 kV "Retificador Principal de ônibus", CB6. É muito provável que um mau funcionamento nos rectificadores causou o problema harmónicas não característico.

Solução de problemas Subsequente dos retificadores verifica se uma avaria nos retificadores causou este problema. O mau funcionamento foi corrigido, a grande quantidade de correntes harmónicas não características desaparecido do sistema.

Figura 10. Característica de resposta de freqüência em 10KV "Retificador Principal de ônibus".

4. Caso 1: Harmônicos terceiros

Grandes quantidades de 3^rd harmônicos também foram encontrados no processo 1 durante o mau funcionamento dos retificadores março 2004 (Mesa 3). O pior caso foi no retificador 2 com 17.2% de 3^rd corrente harmônica. O 3^rd corrente harmônica também apareceu no circuito a montante no CB 6 e CB 3.

Referências[8,9] fornecer a explicação de que, sob as condições de desequilíbrio tensão da rede elétrica, harmônicas, como a corrente harmônica 3 e 9 podem aparecer nos conversores ou retificadores. Dois exemplos são dadas em[9] com diferentes condições de desequilíbrio de tensão, usando uma linha 460V 30kVA VFD. O 3^rd correntes harmônicas em porcentagem da fundamental são 19.2% e 83.7% correspondente a 0.3% e 3.75% desequilíbrio de tensão de linha, respectivamente. Para o caso de que não há desequilíbrio de tensão linha óbvia, o 3^rd corrente harmônica é 2.1% para a mesma unidade[9].

Baseado no mesmo princípio, o 3^rd correntes harmônicas mostrados nos retificadores na unidade de mineração de março 2004 também foram causados ​​pelo desequilíbrio de tensão de linha. As três tensões fase-fase no CB 8 para Retificador 2 foram medidos por 6 horas, com um ponto de medição a cada minuto em Março 17 2004. O desequilíbrio de tensão de linha é calculada para cada ponto de medição. O método de cálculo de desequilíbrio de tensão é baseado em uma equação prevista no[4]. Conforme[4] o desequilíbrio de tensão em porcentagem é definida pelo National Electrical Manufacturers Association (NÃO)

nas Normas de Publicação não. MG 1-1993 do seguinte modo:

Note-se que as tensões de linha são utilizados neste padrão NEMA, em oposição às tensões de fase. Quando tensões de fase são usados, o desequilíbrio ângulo de fase não se reflete na % Desequilíbrio e, portanto, tensões de fase são raramente usados ​​para calcular o desequilíbrio de tensão[4].

O desequilíbrio de tensão linha calculada durante o 6 hora tendendo medição é mostrado na figura. 11. Figura. 11 indica que o desequilíbrio de tensão no retificador 2 para os intervalos de período de medição entre 0.4% e 0.7% com a maior parte dos valores compreendidos entre 0.5% e 0.6%. Os valores de desbalanceamento de tensão de linha calculados explicar por que o 3^rd corrente harmônica foi tão alta como 17.2% no retificador 2.

Figura 11. Calculado desequilíbrio de tensão em linha CB8, Correto 2 com base na medida de linha linha-a-três tensões de fase para o Caso 1.

5. Caso 2: Harmônicas

Caso 2 aborda um problema harmônico triplas em um sistema de distribuição de campos de petróleo com várias unidades de freqüência variável (VFD) em operação. As formas de onda de corrente nas entradas das ACV estão seriamente distorcida. A análise de causa raiz foi obrigado a encontrar uma solução para este problema.

Como primeiro passo para solução de problemas, medidas foram tomadas na entrada de cada VFD. A forma de onda da corrente medida para um dos Inverssores é mostrado na figura. 12. Outros VFDs têm formas de onda de corrente semelhantes em suas entradas. Verificou-se que as duas bossas não estão na mesma ordem de grandeza para cada meio ciclo da forma de onda de corrente.

Figura 12. Medido onda de corrente na entrada do VFD 1.

O espectro de corrente harmónica corresponde à forma de onda da corrente medida é mostrado na figura. 13. Este espectro harmônico da corrente contém 23% 3^rd harmônica de corrente e 13% 9^ª corrente harmônica em porcentagem da fundamental. Por outro lado, mesmo harmônicos são pequenos e tudo dentro 1.5%. Portanto, formas de onda atuais distorções são causadas por triplen harmônicos só.

Figura 13. Espectro de corrente harmónica na entrada de CSC 1.

Similar a Seção 4, o desequilíbrio de tensão de linha para o sistema de baixa tensão 480V é calculado usando medidos três tensões fase-fase para VFD1. O período de medição de tendências é mais do que 5 dias. O desequilíbrio de tensão de linha calculada durante o período de medição é mostrado na figura. 14. Esta figura mostra que os valores de desbalanceamento de tensão de linha variam entre 0.2% e 0.9% com a maior parte dos valores compreendidos entre 0.3% e 0.6%. Com tal desequilíbrio de tensão de linha da rede elétrica harmônicas são geradas nas entradas de ACV e, portanto, ainda levar a sérias distorções de forma de onda de corrente nas entradas de acionamento.

Portanto, pode-se concluir que a causa raiz do caso 2 é o desequilíbrio de tensão da rede elétrica.

Figura 14. Calculado desequilíbrio de tensão de linha na entrada do VFD1 baseado na medida linha-a-linha trifásica tensões para o Caso 2.

6. Conclusões

Harmônicos não-característicos incluindo mesmo e harmônicas são investigados neste trabalho. Dois estudos de caso são conduzidas.

Caso 1 lida com geração ainda harmônicos causados ​​por mau funcionamento do equipamento de uma instalação industrial. Mesmo harmônicos, particularmente as correntes harmônicas 4 e 6 são significativamente amplificado por ressonância devido à presença do 5 º e 7 filtros de harmônicas passivo único sintonizado no sistema. Caso 1 também mostra que a causa raiz de um alto 3^rd corrente harmônica (até 17% em um retificador), é causada por um desequilíbrio de tensão de linha de alimentação.

Corrente harmônica em % dos direitos fundamentais

Caso 2 apresenta um grave problema de distorção de forma de onda de corrente em um sistema de distribuição de campos de petróleo com vários VFDs. Correntes harmónicas triplas são encontrados na entrada dos Inverssores, mas até mesmo correntes harmônicas parecem ser normais. Todas as unidades do sistema mostram situações semelhantes. O desequilíbrio de tensão linha calculada na entrada de um CSC varia entre 0.2% e 0.9% com base em medidas de três tensões fase-fase. Conclui-se que a causa raiz do caso 2 é o desequilíbrio de tensão de linha da rede elétrica.

Com base em investigações neste estudo, quando quantidade significativa de harmônicos não-característicos aparecem em instalações industriais, isso indica que algo pode estar muito errado no sistema. A análise de causa raiz detalhada e solução de problemas devem ser realizados para identificar a causa raiz do problema e resolvê-lo antes de o equipamento for danificado ou o pessoal fica ferido.