Entrada e saída harmônica: Determinando a direção da corrente harmônica usando análise de ângulo de fase

01 Por que a direção harmônica é importante

Medir a magnitude da tensão harmônica e da distorção da corrente em um ponto da rede informa quão ruim é a situação harmônica. Não diz de onde vêm os harmônicos. Em uma rede de distribuição real, múltiplas cargas e múltiplas fontes harmônicas coexistem no mesmo barramento. Quando um problema de conformidade harmônica é identificado, a primeira questão de engenharia é: esta instalação está gerando harmônicos que fluem para a rede, ou está recebendo harmônicos que fluem da rede? A resposta determina quem é responsável pela mitigação.

Esta distinção - influxo harmônico vs.. fluxo de saída — é a base da alocação de responsabilidade harmônica nas diretrizes da rede de distribuição do Japão e é cada vez mais relevante em outras estruturas regulatórias à medida que os limites harmônicos se estreitam e múltiplas cargas não lineares compartilham barramentos comuns. A determinação da direção requer mais do que uma medição THD – requer análise da relação de fase entre a tensão harmônica e a corrente harmônica no ponto de medição.[1]

02 Dois métodos para julgar a entrada e a saída

Método 1 — Polaridade de potência harmônica

O primeiro método utiliza o sinal da potência ativa harmônica (P_h) em cada ordem harmônica. A potência harmônica é o produto da tensão harmônica, corrente harmônica, e o cosseno do ângulo de fase entre eles. Uma potência harmônica positiva indica que a instalação está consumindo aquela harmônica – fluxo de entrada. Uma potência harmônica negativa indica que está gerando esse fluxo harmônico.[1]

Este método é teoricamente limpo, mas tem uma limitação prática: os níveis de potência harmônica diminuem rapidamente com o aumento da ordem harmônica. A potência do 11º harmônico é normalmente uma pequena fração da potência do 5º harmônico. Em pedidos superiores, o sinal de potência harmônico se aproxima do nível de ruído do instrumento de medição, tornando a determinação da polaridade não confiável. Este método funciona bem para os harmônicos dominantes de baixa ordem (3rd, 5ª, 7ª) mas se torna não confiável no dia 11, 13ª, e acima.[1]

Método 2 — Diferença de fase tensão-corrente harmônica (eu)

O segundo método usa a diferença do ângulo de fase entre a tensão harmônica e a corrente harmônica em cada ordem harmônica – denotada por θ. Esta é uma abordagem mais robusta porque se baseia na medição do ângulo de fase e não na magnitude da potência., e o ângulo de fase podem ser determinados com precisão mesmo quando as magnitudes harmônicas são pequenas.[1]

Para instalações trifásicas de 3 fios usando o método de medição de 2 metros (3P3W2M), a métrica recomendada é a soma do ângulo de fase θ_soma — a diferença de fase harmônica tensão-corrente calculada a partir da soma das grandezas medidas em ambos os canais de medição. Esta abordagem de soma fornece um valor mais estável e representativo do que medições de fase individuais para sistemas trifásicos.

03 Configuração de medição

A configuração 3P3W2M usa dois sensores de corrente e duas medições de tensão para caracterizar completamente o sistema trifásico de 3 fios. O “soma” A abordagem do ângulo de fase é específica para esta configuração - ela combina as medições de ambos os canais para produzir um único θ_soma valor por ordem harmônica que é representativo da direção geral do fluxo harmônico trifásico.[1]

04 Exemplos de análise: Quatro ordens harmônicas, Quatro comportamentos diferentes

Os exemplos a seguir são extraídos de medições em um 6.6 circuito kV. Os gráficos de tempo mostram a diferença de fase harmônica tensão-corrente (eu_soma) ao longo do tempo para cada ordem harmônica. O limite de entrada/saída está em ±90°.[1]

Fundamental (1st harmônico) e 5º harmônico - Influxo

Figo. 1. Gráfico de tempo de θ_soma para o fundamental (marrom) e 5º harmônico (verde). Ambos permanecem dentro da zona de entrada de −90° a +90° durante todo o período de medição, confirmando que a instalação está consumindo tanto a potência fundamental quanto a 5ª harmônica. Fonte: HIOKI E.E. Corporação.[1]

A onda fundamental está entrando – isso é esperado, já que a instalação está consumindo energia real da rede. O 5º harmônico também é predominantemente de entrada, indicando que a fonte dominante de 5ª harmônica está em outro lugar na rede e esta instalação a está recebendo. Esta instalação é vítima da poluição de 5º harmônico, não é uma fonte disso.

3Terceiro harmônico - Saída

Figo. 2. Gráfico de tempo de θ_soma para o 3º harmônico (vermelho). O ângulo de fase cai consistentemente fora da zona de entrada de ±90°, na faixa de −180° a −90° ou +90° a +180° — confirmando a saída do 3º harmônico. Esta instalação está gerando corrente de 3º harmônico que flui para a rede. Fonte: HIOKI E.E. Corporação.[1]

O 3º harmônico é a saída - esta instalação é uma fonte de 3º harmônico. Observe que o 3º harmônico é característico de cargas não lineares monofásicas (fontes de alimentação comutadas, iluminação fluorescente) em vez de unidades trifásicas de 6 pulsos. Sua presença como uma harmônica de saída em um 6.6 O circuito kV sugere carregamento monofásico no lado secundário dos transformadores de distribuição alimentados por este circuito.

7º harmônico - Saída

Figo. 3. Gráfico de tempo de θ_soma para o 7º harmônico (azul). Vazão de saída confirmada — o ângulo de fase permanece fora da zona de entrada de ±90°. O contorno de 180° é visível como transições verticais no traçado. Fonte: HIOKI E.E. Corporação.[1]

O 7º harmônico também é fluxo. Juntamente com a saída do 3º harmônico, isso sugere que a instalação contém uma carga não linear significativa, gerando corrente harmônica no 6.6 rede kV. O influxo de 5º harmônico observado anteriormente indica que o 5º harmônico neste barramento está vindo de outro lugar - a geração de 5º harmônico da própria instalação local está sendo mascarada ou dominada por uma fonte externa de 5º harmônico.

Exemplos de julgamento 1 e 2 — Aplicando o θ_média mostrar

Figo. 4. Exemplo de julgamento 1 - eu_média gráfico de tempo harmônico em HIOKI PQA HiVIEW Pro. A exibição média do ângulo de fase fornece uma base mais limpa para a determinação de fluxo de entrada/saída do que θ bruto_soma valores ponto a ponto. Fonte: HIOKI E.E. Corporação.[1]

Figo. 5. Exemplo de julgamento 2 - eu_média gráfico de tempo harmônico. Um segundo cenário demonstrando a aplicação da metodologia de julgamento de entrada/saída usando a exibição média do ângulo de fase. Fonte: HIOKI E.E. Corporação.[1]

Figo. 6. Exibição de análise harmônica HIOKI PQA HiVIEW Pro - visualização tabular dos resultados da diferença de fase tensão-corrente harmônica por ordem harmônica. Fonte: HIOKI E.E. Corporação.[1]

Figo. 7. HIOKI PQA HiVIEW Pro exibição resumida dos resultados do julgamento de entrada/saída harmônica em todas as ordens harmônicas monitoradas. Fonte: HIOKI E.E. Corporação.[1]

Figo. 8. Gráfico de tempo harmônico HIOKI PQA HiVIEW Pro com indicadores de zona de entrada/saída - os limites de ±90° são marcados, permitindo a determinação visual direta da direção harmônica do θ_média rastrear. Fonte: HIOKI E.E. Corporação.[1]

05 Quadro Regulatório Japonês: Limites de Corrente de Saída Harmônica

O Japão tem uma das estruturas nacionais mais desenvolvidas para a atribuição de responsabilidade harmónica ao nível da distribuição. O Ministério da Economia e Indústrias emitiu sua Diretriz para Contramedidas de Dissuasão Harmônicas em setembro 1994 — estabelecer limites que se aplicam especificamente à corrente de saída harmônica de clientes do lado da demanda que recebem alimentação de alta tensão ou de extra-alta tensão.[2]

Limites de distorção de tensão

• 6.6 sistema kV: Distorção total de tensão harmônica ≤ 5%
• Sistema de extra alta tensão: Distorção total de tensão harmônica ≤ 3%

Limites de corrente de saída harmônica

A diretriz japonesa expressa os limites de corrente harmônica em miliamperes por quilowatt de potência contratada – uma normalização que torna os limites independentes do tamanho do cliente e diretamente proporcionais ao contrato de energia do cliente. Os valores limite superior são especificados por ordem harmônica, com limites inferiores para harmônicos de ordem superior. A normalização por kW significa que um cliente maior tem proporcionalmente mais tolerância de corrente harmônica – mas também deve cumprir cada ordem harmônica de forma independente.[2]

Esta estrutura regulatória baseada em direção – limitando a saída em vez da corrente harmônica total – é a principal distinção da abordagem de acoplamento de ponto comum da IEEE 519. IEEE 519 limita a corrente harmônica que um cliente injeta no PCC, o que é efetivamente um limite de saída. A diretriz japonesa torna explícito o conceito de fluxo de saída e o aplica no nível de ordem harmônica individual com normalização por kW. A metodologia de medição descrita neste artigo — θ_soma análise do ângulo de fase — é a ferramenta que torna auditável esta regulação baseada em vazões.

06 Perspectiva QP: Direção como ferramenta de diagnóstico

6.1 Quando a análise de direção altera o diagnóstico

A implicação mais importante da análise de direção harmônica é que uma medição de THD alto na entrada de serviço do cliente não significa automaticamente que o cliente seja responsável por isso.. Se a corrente harmônica estiver entrando - chegando da rede - o cliente é a vítima e a fonte está em outro lugar do alimentador. Exigir que o cliente instale filtros harmônicos nesta situação é um desperdício de dinheiro e pode não melhorar em nada a situação harmônica da rede.

Reciprocamente, um cliente com níveis modestos de THD na sua entrada de serviço pode ainda ser uma fonte significativa de saída de harmónicas se a sua potência contratada for grande - o limite japonês por kW pode ser excedido mesmo quando o THD absoluto parece aceitável. A análise da direção em cada ordem harmônica é a única forma de caracterizar corretamente a responsabilidade.

6.2 Aplicação prática em uma investigação harmônica

Uma sequência prática de investigação harmônica usando esta metodologia:

1. Meça a tensão e a corrente harmônica no ponto de interesse — confirme se as amplitudes harmônicas são significativas o suficiente para justificar a análise de direção
2. Aplique o θ_soma critério para cada ordem harmônica de interesse
3. Identifique quais ordens harmônicas são de entrada (fonte de rede) e quais são saída (fonte local)
4. Para harmônicos de saída: identificar as cargas não lineares locais responsáveis ​​e avaliar as opções de mitigação
5. Para harmônicos de entrada: investigue a rede em busca da fonte responsável – outros clientes no mesmo alimentador, condições de ressonância da rede, equipamento utilitário

6.3 Conexão com a série de artigos IPQDF

Os artigos técnicos desta série (Artigos 1–3) estabeleceu as assinaturas harmônicas de drives de 6 pulsos e sua interação com componentes de rede. Os estudos de caso demonstraram o que acontece quando os harmônicos não são mitigados. Esta referência técnica completa uma dimensão diferente do quadro: a metodologia de medição necessária para determinar se uma determinada instalação é uma fonte ou receptor de harmônicas — o pré-requisito para atribuir responsabilidades e selecionar a estratégia de mitigação correta.

O eu_soma o método de ângulo de fase descrito aqui é específico do instrumento em sua implementação (HIOKI PQA HiVIEW Pro neste exemplo) mas o princípio subjacente - que a direção da corrente harmônica é determinada pela relação de fase entre a tensão harmônica e a corrente harmônica - é universal. Qualquer analisador de qualidade de energia que reporte ângulos de fase harmônicos pode apoiar esta análise, com interpretação apropriada das convenções de medição usadas por esse instrumento.

Referências

1. [1] HIOKI E.E. Corporação, “Entrada e saída de Harmônicas,” em Guia para Medição de Qualidade de Energia, HIOKI E.E. Corporação, Nagano, Japão. Disponível: hioki. com
2. [2] Ministério da Economia, Comércio e Indústria (COLOCAR), Japão, “Diretriz para contramedidas de dissuasão de harmônicos no lado da demanda que recebe alta tensão ou extra-alta tensão,” Relatório Oficial, Setembro 30, 1994.