Preço e desempenho Considerações para soluções harmônicas

Achei este excelente artigo escrito em 2000 e resolvi compartilhar com você.

Autores

Daniel J. Carnovale, P.E. E**************@***em.com Eaton | Cutler-Hammer Moon Township, PA

Thomas J. Dionise, P.E. O************@***em.com Eaton | Cutler-Hammer Warrendale, PA

Thomas M. Florescente, P.E. O*************@***em.com Eaton | Cutler-Hammer Minneapolis, MN

Introdução

Este trabalho pressupõe que o leitor tenha algum conhecimento básico de harmônicos do sistema de potência. Como uma reciclagem simples - a explicação geral aceitável é que o fluxo de correntes harmônicas ou são "origem" de cargas e criar distorções de tensão (ou tensões harmônicas) à medida que passam através de alimentação a montante os componentes do sistema, tais como cabos de impedância, transformadores, e geradores. Em geral, o mais longe da fonte de correntes harmónicas (I.e.. as cargas), a distorção menos tensão que você vai ver. Certamente existem exceções e tensões harmônicas podem ser "produzido" por algum equipamento (alguns geradores, por exemplo) mas a discussão geral deste artigo lida com considerações padrão quando se trata de cargas típicas harmônicas produzem em sistemas de energia comerciais e industriais.

Muitas vezes, quando o assunto da qualidade da energia surge, pessoas automaticamente assumem que o assunto está relacionado com harmônicos. Estes dois termos foram trocados e confusão, infelizmente, muito tem ocorrido como resultado. O objecto de harmónicas é um sub-conjunto da Qualidade de Energia (PQ). Outras considerações de qualidade de energia incluem variações de tensão (afundamentos, interrupções, tremer, etc), transientes (surtos, relâmpago, eventos de chaveamento), e aterramento - que são assuntos importantes por conta própria. Portanto, cada problema PQ não está relacionado com harmônicos.

Com relação aos problemas harmônicos, o resultado final é este: Harmônicos não são um problema, a menos que sejam um problema. Tal como acontece com todas as preocupações com a qualidade da energia, você não deve considerar algo como um problema de QP, a menos que o problema seja uma despesa (em termos de penalidades de utilidade, perdas monetárias, perdas de produção ou operação incorreta).

Só porque você tem correntes harmônicas fluindo em seu sistema e está medindo a distorção de tensão, você não tem necessariamente um problema. Muitas vezes, questões de harmônicos são levantadas porque os níveis excederam o IEEE Std 519-1992 limites recomendados em algum lugar em um sistema de energia.

O fato é que a maioria dos equipamentos pode suportar níveis de distorção harmônica bem acima desses limites conservadores recomendados.. Harmônicos são interessantes e podem ser problemáticos, mas muitas vezes são responsabilizados por problemas sem provas reais. Reserve um tempo para aprender sobre harmônicos e como os sistemas e equipamentos de energia são realmente afetados e você evitará muitos problemas e certamente muito dinheiro.!

Depois de identificar que você realmente tem um problema de qualidade de energia relacionado a harmônicos, considere isto – há pelo menos dez maneiras de resolver seu problema. Qual é o certo para você e será a solução mais econômica e qual aliviará claramente os problemas que você está enfrentando? A discussão econômica (escolhendo qual solução é menos “melhor”) requer uma análise muito detalhada e este artigo fornecerá diretrizes para auxiliar na tomada dessa decisão. Além, selecionar uma solução harmônica nem sempre é uma decisão econômica em todos os casos. Preço e desempenho estão definitivamente inter-relacionados e considerações sobre ambos são necessárias para selecionar claramente a “melhor” solução.

Fontes Harmônicas

De onde vêm os harmônicos? As categorias gerais de cargas produtoras de harmônicos (também chamadas de cargas não lineares) são:

• Equipamentos eletrônicos de potência (unidades, retificadores, informática, etc)
• Dispositivos de arco (soldadores, fornos de arco, luzes fluorescentes, etc)
• Dispositivos de saturação de ferro (transformadores)
• Máquinas rotativas (geradores)

Hoje, as fontes harmônicas mais prevalentes e crescentes são:

• Conversores de frequência ajustáveis (AFD)
• Fontes de alimentação comutadas (informática)
• Relâmpago fluorescente

Sintomas Harmônicos

Como você sabe que tem um problema? A única maneira de saber é identificar sintomas de harmônicos. Muitas vezes, se você reconhecer sintomas específicos de harmônicos, o problema já criou problemas em seu sistema de energia. O truque é reconhecer sintomas “potenciais” e identificar possíveis problemas harmônicos antes que eles ocorram ou implementar a correção no projeto do sistema. Às vezes, modelagem e cálculos simples ajudam a identificar os problemas antes que se tornem um problema.

Os sintomas de problemas harmônicos podem ser divididos em quatro áreas principais: Falha e mau funcionamento do equipamento, considerações económicas, aplicação de capacitores de correção de fator de potência e outras questões. Os seguintes sintomas são exemplos de falha e mau funcionamento do equipamento associado a harmônicos em um sistema de potência.

• Entalhe de tensão
• Operação errática de equipamentos eletrônicos
• Bloqueios de computador e/ou PLC
• Superaquecimento (motores, cabos, transformadores, neutros)
• Vibrações do motor
• Ruído audível em transformadores e máquinas rotativas
• Operação incômoda do disjuntor
• Mau funcionamento do regulador de tensão
• Mau funcionamento do regulador do gerador
• Erros de tempo ou relógio digital
• Incêndios elétricos

A seguir estão considerações econômicas que devem ser avaliadas em relação aos harmônicos.

• Perdas/ineficiência (motores)
• perdas de kW em cabos e transformadores
• Baixo fator de potência total
• Considerações sobre dimensionamento do gerador
• Consideração sobre dimensionamento de UPS
• Preocupações com a capacidade (transformadores, cabos)
• Penalidades impostas à concessionária

Aplicando capacitores de correção de fator de potência requer considerações especiais em relação aos harmônicos.

• Falhas no capacitor
• Fusível ou disjuntor (capacitores de alimentação) tropeço incômodo
• Condições de ressonância harmônica calculadas ou medidas (ressonância em série ou paralela)

Outras questões significativas são normalmente aumentados em relação aos harmônicos. Interessantemente, essas questões muitas vezes não são problemas reais, mas sim um exagero criado pela falta de compreensão dos harmônicos. Muitos “problemas harmônicos” são questões de especificação e não problemas reais.

• Medição – você realmente tem um problema ou acabou de instalar um novo medidor que pode mostrar a forma de onda e “parece” que você deve ter um problema?
• Exagero de marketing baseado em especificações de produto - você tem um problema ou alguém está assustando você fazendo-o acreditar que existe um problema, então você compra o produto deles?
• Especificação – “Tu deves seguir IEEE-519…”. Embora IEEE519 seja uma prática recomendada (observe que a palavra-chave é “RECOMENDADO”), alguma reflexão deve ser dada ao lado prático do padrão. Além, aplicando os limites IEEE519 em outros locais do sistema de energia (diferente do acoplamento de ponto comum, ou PCC) é normalmente um exagero e muitas vezes caro ou problemático.

Cada um desses sintomas ou questões poderia ser discutido em seu próprio artigo técnico, mas basta dizer que a magnitude do “custo” desses sintomas é normalmente proporcional à complexidade e ao custo da solução..

IEEE STD 519-1992

IEEE Std 519-1992 é “As práticas e requisitos recomendados pelo IEEE para controle harmônico em sistemas de energia elétrica”. Muitas pessoas usam as tabelas de limite de distorção de tensão e corrente para ajudar a determinar se os harmônicos causarão um problema em seu sistema de energia. (ou o sistema de energia do seu cliente, se for um consultor). Este padrão foi seriamente mal utilizado e citado erroneamente ao longo dos anos. Muitas vezes as soluções económicas são “selecionadas” com base na má aplicação da norma e com um custo significativo para o utilizador final.

Especificações de amostra que excedem as recomendações do IEEE

O seguinte é o texto de uma especificação de amostra. Nota: isto não é uma recomendação, mas sim um exemplo de má interpretação do IEEE 519 padrão para uma instalação de drive.

Os valores de distorção harmônica resultantes da operação de todas ou quaisquer combinações de carga de motor acionadas por inversor de frequência variável operando em plena carga devem ser limitados conforme definido na última edição do Padrão IEEE 519.

Esta afirmação está OK, mas, pelo padrão, aplica-se apenas ao PCC (acoplamento de ponto comum) com o utilitário – não conforme definido aqui. Isso traz à tona a discussão mais ampla sobre a localização do PCC (veja a seção seguinte sobre PCC). Interessantemente, mesmo com esta declaração como cabeçalho (na mesma especificação), declarações 1, 3 e 4 abaixo contradizem o IEEE 519 recomendações.

1. Distorção de tensão harmônica total máxima permitida (THD): 3% dos direitos fundamentais
2. Distorção de tensão harmônica de frequência individual máxima permitida: 3% dos direitos fundamentais
3. Frequência individual máxima permitida e distorção de demanda de corrente harmônica total (TDD): 5% dos direitos fundamentais
4. Os níveis de distorção harmônica devem ser específicos para o barramento do quadro de distribuição que alimenta uma unidade ou um grupo de inversores de frequência variável.
5. O custo de todo e qualquer equipamento corretivo para limitar os níveis harmônicos a estes valores será de responsabilidade do fabricante..

Embora esta especificação minimize significativamente quaisquer harmônicos do sistema de energia bem abaixo de quaisquer níveis desejáveis, está claramente além das recomendações apresentadas pelo padrão. Acontece que, o engenheiro especificador cobrirá quaisquer problemas potenciais antes que eles ocorram, mas aumentará significativamente o custo do trabalho. Recomenda-se uma abordagem mais prática. Dito isto, o custo do equipamento corretivo após o fato é normalmente mais alto, portanto as limitações exigidas devem ser consideradas e algumas concessões devem ser feitas para atender aos requisitos do IEEE e ao mesmo tempo implementar uma solução prática.

Harmônicos de tensão ou corrente?

Outra declaração relacionada ao IEEE 519 que muitas vezes causa controvérsia significativa é o seguinte:

A empresa selecionada deverá projetar e implementar soluções que reduzam a distorção harmônica total no lado secundário do transformador de serviço principal para menos de 5%.

A questão neste caso é – harmônicos de tensão ou corrente? A principal preocupação do padrão é a distorção de tensão. Em alguns casos onde o ISC/IL é baixo (I.e.. a carga é uma alta porcentagem da capacidade do sistema), o limite de distorção atual é 5% (mas apenas para minimizar a distorção de tensão). O IEEE 519 A norma afirma claramente que as correntes harmônicas devem ser reduzidas para minimizar a distorção de tensão. As correntes harmônicas também devem ser reduzidas para minimizar a carga no sistema mas mesmo o máximo permitido (20%) a distorção só aumentará a raiz quadrada média total (rms) corrente em aproximadamente 2%.

Ponto de acoplamento comum (PCC)

Pelo padrão, o PCC é onde outros clientes da concessionária podem ser atendidos e não é necessariamente o secundário do transformador de serviço principal e certamente não é um painel a jusante, MCC, alimentador ou carga. Observe que às vezes em contratos de serviços públicos, o PCC pode ser explicitamente definido em locais diferentes dos definidos no IEEE 519, como um ponto de medição.

Também, tenha cuidado com o fabricante do equipamento, empreiteiros ou engenheiros insistindo que uma única carga deve estar em conformidade com as recomendações de tensão e corrente IEEE-519. Esta nunca foi a intenção do padrão.

SOLUÇÕES HARMÔNICAS

A seguir estão soluções harmônicas que são produtos ou combinações de produtos disponíveis comercialmente para reduzir correntes harmônicas e minimizar a distorção de tensão harmônica em um sistema de energia. As soluções harmônicas são divididas em três categorias principais: soluções de acionamento e retificador (típico para instalações industriais), soluções para instalações comerciais e soluções harmônicas para correção do fator de potência.

Soluções de Drives e Retificadores

As soluções a seguir são para inversores ou retificadores trifásicos (UPS grandes, por exemplo) aplicações onde uma quantidade significativa de corrente harmônica é gerada.

Reatores de Linha

Um reator de linha (estrangular) é uma indutância em série trifásica no lado da linha de um inversor. Se um reator de linha for aplicado em todos os AFDs, é possível atender às diretrizes do IEEE onde até 15% para 40% das cargas do sistema são AFDs, dependendo da rigidez da linha e do valor da reatância da linha. Os reatores de linha estão disponíveis em vários valores de impedância percentual, mais tipicamente 1-1.5%, 3%, e 5%.

IEEE 519A mostra um exemplo do benefício do uso de reatores de linha na Figura 2. Mesa 1 é um resumo da distorção de corrente típica para um inversor com um reator de linha de tamanhos variados.

Mesa 1 – Reator de Linha vs.. Harmônicos esperados

Vantagens

• Baixo custo
• Pode fornecer redução moderada em harmônicos de tensão e corrente
• Disponível em vários valores de impedância percentual
• Fornece maior proteção de entrada para AFD e seus semicondutores contra transientes de linha

Desvantagens

• Pode exigir montagem separada ou gabinete AFD maior
• Não pode reduzir os níveis harmônicos abaixo da norma IEEE519 1992 diretrizes

Transformadores de Fator K e Isolamento de Drive

Laboratórios de Subscritores (UL) e fabricantes de transformadores estabeleceram um método de classificação, o Fator K, para transformadores do tipo seco avaliarem sua adequação para serviço em um ambiente harmônico. O fator K relaciona a capacidade do transformador de fornecer vários graus de carga não linear sem exceder os limites nominais de aumento de temperatura do transformador.. O fator K é baseado nas perdas previstas conforme especificado no método simplificado da IEEE Std C57.110-1986, Prática recomendada pelo IEEE para estabelecer a capacidade do transformador ao fornecer correntes de carga não senoidais (ANSI). O fator limitante relacionado ao superaquecimento é novamente assumido como sendo as perdas por correntes parasitas nos enrolamentos.

Os transformadores com classificação de fator K não oferecem meios de reduzir as magnitudes da corrente harmônica (exceto que eles oferecem reatância de linha – veja Reatores de Linha). Mas o método Kfactor permite ao engenheiro escolher um transformador do tipo seco que possa suportar a carga harmônica sem danos ou perda de desempenho.. As classificações padrão do fator K são 4, 9, 13, 20, 30, 40, e 50.

Os transformadores de isolamento do inversor são semelhantes aos transformadores de fator K, pois oferecem impedância de linha semelhante a um reator de linha e reduzem a quantidade de corrente harmônica que é “permitida” fluir para a carga, mas por outro lado não reduzem os harmônicos do inversor.. Geralmente, eles são um 1:1 transformador de relação e são usados ​​para proteger outras cargas das altas frequências criadas pelo inversor e são usados ​​em combinações para criar um sistema de distribuição de 12 pulsos.

Vantagens

• Pode fornecer redução moderada em harmônicos de tensão e corrente adicionando reatância de fonte
• Pode adquirir vários valores de impedância percentual de acordo com as necessidades
• Fornece maior proteção de entrada para AFD e seus semicondutores contra transientes de linha
• Pode ser usado em combinações com reatores de linha e transformadores para cancelamento de harmônicos.

Desvantagens

• Os transformadores de fator K por si só são um método para “conviver com” harmônicos, mas não reduzirão significativamente os harmônicos em relação à solução de reator mais barata.
• Deve ser dimensionado (totalmente avaliado) para corresponder a cada unidade ou grupo de unidades.
• Normalmente não é possível aproveitar a diversidade de cargas.
• Pode não reduzir os níveis harmônicos abaixo
IEEE519 1992 diretrizes

Estrangulador DC

Esta é simplesmente uma indutância em série (reator) no lado DC do circuito da ponte semicondutora na extremidade frontal do AFD. De muitas maneiras, o indutor CC é comparável a um reator de linha equivalente do lado CA, embora a % Distorção Harmônica Total (THD) é um pouco menos. O indutor DC proporciona uma redução maior principalmente do 5º e 7º harmônicos. Em harmônicos de ordem superior, o reator de linha é superior, então, em termos de atender às diretrizes do IEEE, o indutor DC e o reator de linha são semelhantes. Se um indutor DC (ou reator de linha) é aplicado em todos os AFDs, é possível atender às diretrizes do IEEE onde até 15% para 40% das cargas do sistema são AFDs, dependendo da rigidez da linha, a quantidade de cargas lineares e o valor da indutância do estrangulamento.

Vantagens

• Embalado integralmente no AFD
• Pode fornecer redução moderada em harmônicos de tensão e corrente
• Menor queda de tensão que um reator de linha equivalente

Desvantagens

• Menos proteção do que outros métodos para os semicondutores de entrada AFD
• Pode não reduzir os níveis harmônicos abaixo do padrão IEEE 519-1992 diretrizes
• A impedância do indutor DC normalmente é fixa por projeto (não selecionável em campo)
• Não disponível como opção para muitos AFDs.

12-Conversores de pulso

A 12 O conversor de pulso incorpora duas pontes semicondutoras de entrada AFD separadas, que são alimentados de 30 grau fontes de energia com mudança de fase com impedância idêntica. As fontes podem ser dois transformadores de isolamento, where one is a delta/wye design (which provides the phase shift) and the second a delta/delta design (which does not phase shift). It may also be a “three-winding” transformer with a delta primary and delta and wye secondary windings. A line reactor of equal impedance to the delta/wye transformer may also be used in lieu of the delta/delta transformer.

The 12-pulse arrangement allows certain harmonics (primarily 5th and 7th) from the first converter to cancel the harmonics of the second. Up to approximately 85% reduction of harmonic current and voltage distortion may be achieved (over standard 6-pulse converter). This permits a facility to use a larger percentage of AFD loads under IEEE Std 519-1992 guidelines than allowable using line reactors or DC chokes.

Vantagens

• Custo razoável, embora significativamente mais do que reatores ou estranguladores
• Redução substancial (até aprox.. 85%) em harmônicos de tensão e corrente
• Fornece maior proteção de entrada para AFD e seus semicondutores contra transientes de linha

Desvantagens

• A correspondência de impedância de fontes com mudança de fase é crítica para o desempenho
• Os transformadores geralmente exigem montagem separada ou gabinetes AFD maiores
• Pode não reduzir os níveis harmônicos de distribuição abaixo do padrão IEEE 519-1992 diretrizes

Transformadores Mitigadores de Harmônicos ou Distribuição Multipulso

Isso é semelhante a um conversor de 12 pulsos, em escala macro. Se dois AFDs de iguais HP e carga forem deslocados de fase alimentando um AFD de um transformador delta/estrela, e alimentar o segundo através de um transformador delta/triângulo ou um reator de linha de impedância equivalente, desempenho semelhante ao de 12 pulsos pode ser alcançado. O cancelamento será degradado à medida que as cargas variam de AFD para AFD, embora à medida que a carga em um único AFD diminui, a percentagem de contribuição de distorção individual diminui, resultando em menos necessidade de cancelamento. É possível que uma instalação com um grande número de AFDs alimente duas metades da distribuição a partir de transformadores defasados, produzindo uma grande redução nos níveis harmônicos com custo mínimo, e permitindo uma porcentagem maior de cargas AFD sob IEEE Std 519-1992 diretrizes.

Vários transformadores podem ser usados ​​para desenvolver diferentes mudanças de fase entre fontes de correntes harmônicas. Por exemplo, dois transformadores com 60 Mudança de fase Hz de 30 graus entre eles resultará no cancelamento do 5º , 7ª , 17ª , e 19º, etc. harmônicos e se parecerá 12 sistema de acionamento por pulso.

Quatro transformadores deslocados por 15 graus entre si resultará em uma distribuição de 24 pulsos e minimizará significativamente os harmônicos resultantes a montante do barramento comum.

Vantagens

• O custo pode ser baixo ou alto dependendo da implementação
• Fornece redução substancial (50-80%) em harmônicos de tensão e corrente
• Fornece maior proteção de entrada para AFD e seus semicondutores contra transientes de linha

Desvantagens

• O custo pode ser baixo ou alto dependendo da implementação
• A correspondência de impedância de fontes com mudança de fase é crítica para o desempenho
• O cancelamento máximo ocorre somente se a carga da unidade estiver equilibrada
• Os transformadores exigirão montagem separada
• Pode não reduzir os níveis harmônicos abaixo do padrão IEEE 519-1992 diretrizes

Filtros de Harmônicas Tuned

Os filtros harmônicos sintonizados consistem na combinação de um reator e elementos capacitivos. A correção do fator de potência pode ser incorporada em um projeto de filtro, mas deve-se tomar cuidado se um filtro for aplicado em um nível de sistema, de modo que o 60 A compensação capacitiva Hz não aumenta significativamente a tensão do sistema durante condições de carga leve. Freqüentemente, um filtro harmônico comutado (em passos de 50 esquerda, por exemplo) pode ser usado para regular a quantidade de 60 Hz e filtragem necessária para cargas que mudam dinamicamente.

Esses filtros são instalados em um arranjo shunt no lado da linha do AFD ou em um barramento comum para múltiplas cargas de acionamento. O filtro sintonizado é um curto-circuito ou impedância muito baixa na frequência “sintonizada”. Para cargas de acionamento, filtros sintonizados são sintonizados um pouco abaixo do 5º harmônico, que é o maior componente da distorção harmônica. O filtro também absorverá alguma corrente de 7º harmônico. Um filtro de 7ª harmônica ou filtros adicionais sintonizados para harmônicos de ordem superior também podem ser usados.. É necessário mais cuidado com a aplicação de filtros harmônicos sintonizados do que com outros métodos. O filtro pode ficar sobrecarregado se não for tomado cuidado para levar em conta todas as fontes harmônicas em um sistema. Se AFD adicional ou cargas não lineares forem adicionadas sem filtragem, os filtros instalados anteriormente podem ficar sobrecarregados (eles geralmente são fundidos para proteção). Para aplicações industriais, um reator de linha opcional usado em conjunto com o filtro minimiza a possibilidade de isso ocorrer e melhora o desempenho do filtro (a reatância total é frequentemente dividida entre o AFD/reator interno e o reator opcional).

Muitas vezes, se a correção do fator de potência for necessária em um sistema de potência com fontes harmônicas, um filtro harmônico sintonizado será aplicado no lugar de capacitores para suprir os requisitos de potência reativa e, ao mesmo tempo, fornecer uma frequência ressonante previsível.

Vantagens

• Permitir uma porcentagem maior de cargas do sistema AFD do que reatores de linha e bobinas
• Fornece correção do fator de potência
• Um único filtro pode compensar vários drives

Desvantagens

• Custo mais elevado
• Dispositivo de montagem e proteção separado (disjuntor/fusível) necessário
• Pode não reduzir os níveis harmônicos abaixo do padrão IEEE 519-1992 diretrizes
• É necessário cuidado na aplicação para garantir que o filtro não fique sobrecarregado
• É necessário cuidado na aplicação para garantir que a sobrecompensação não aumentará a tensão
significativamente
• Pode resultar em fatores de potência avançados durante condições de carga leve

Filtros de bloqueio de banda larga

Esses filtros são semelhantes aos filtros sintonizados, mas apresentam algumas diferenças importantes de design. Como os filtros sintonizados são conectados em paralelo às cargas harmônicas, Os filtros de banda larga são conectados em série com o AFD e transportam toda a corrente AFD. Esta diferença fornece proteção adicional para a seção de potência de entrada do AFD. Filtros de banda larga não requerem ajuste, melhorar o fator de potência do sistema e minimizar todas as frequências harmônicas, incluindo o 3º harmônico. Adicionalmente, eles evitam a ressonância do sistema e não são sobrecarregados por harmônicos de outras cargas.

Vantagens

• Permite uma porcentagem maior de cargas do sistema AFD do que reatores de linha e bobinas
• Fornece maior proteção de entrada para AFD e seus semicondutores contra transientes de linha
• Fornece proteção adicional para a seção de alimentação de entrada AFD
• Fornece correção do fator de potência do sistema
• Filtros de bloqueio típicos simulam 12/18 harmônicos de impulso

Desvantagens

• Alto custo
• É necessária montagem separada
• Requer um filtro por unidade
• Pode não reduzir os níveis harmônicos abaixo do padrão IEEE 519-1992 diretrizes
• Pode resultar em fatores de potência avançados durante condições de carga leve

18 Conversor de Pulsos – Delta Diferencial

Este método é semelhante aos conversores de 12 pulsos, embora em vez de usar fontes de energia com mudança de fase e pontes semicondutoras, três são usados. Um fabricante usa um autotransformador especialmente enrolado (Delta Diferencial) e 18 semicondutores de entrada. Quando este arranjo é usado, sobre 90% das correntes harmônicas são canceladas (Distorção típica de corrente harmônica total de 2-3%).

Vantagens

• Praticamente garante conformidade com IEEE Std 519-1992 – excelente para unidades >100 HP
• Fornece maior proteção de entrada para AFD e seus semicondutores contra transientes de linha
• Até 4 vezes a redução harmônica de 12 métodos de pulso
• Transformador menor que o transformador de isolamento usado no conversor de 12 pulsos

Desvantagens

• Custo mais elevado (mas desempenho muito melhor)
• Magnético maior e mais pesado do que alguns outros métodos

Filtros ativos

Este método usa eletrônica sofisticada e IGBTs de seção de potência para injetar harmônicos iguais e opostos no sistema de potência para cancelar aqueles gerados por outras cargas.. Esses filtros monitoram as correntes não lineares exigidas de cargas não lineares (como AFDs) e gerar eletronicamente correntes que correspondam e cancelem as correntes harmônicas de carga. Os Filtros Ativos são inerentemente não ressonantes e são facilmente conectados em paralelo com as cargas do sistema. Filtros harmônicos ativos podem ser usados ​​para compensar harmônicos, harmônicos e fator de potência ou simplesmente para fator de potência. Eles também podem ser usados ​​com capacitores de correção de fator de potência existentes sem preocupação com ressonância harmônica.

Paralelo (o tipo mais comum) filtros harmônicos ativos compensam correntes de carga harmônicas.
Paralelo (desvio) filtros ativos compensam a distorção de tensão causada pela carga, cancelando correntes de carga harmônicas. Filtros harmônicos ativos em série compensam os harmônicos da fonte (tensão) mas não compensam correntes de carga harmônicas. Os filtros em série são geralmente usados ​​para proteger a carga contra harmônicos de fonte prejudiciais, enquanto os filtros shunt são projetados para proteger o sistema contra harmônicos de carga.. O filtro ativo shunt compensará harmônicos e fator de potência até sua capacidade máxima e não poderá ser sobrecarregado.

Vantagens

• Garante conformidade com IEEE Std 519-1992 se dimensionado corretamente
• A unidade shunt não pode ser sobrecarregada mesmo quando futuras cargas harmônicas são adicionadas
• Cancelamento harmônico do 2º ao 50º harmônico
• A unidade conectada por derivação proporciona fácil instalação sem grandes retrabalhos no sistema
• Fornece reação (nosso) correntes melhorando o fator de potência do sistema
• Pode ser projetado em um CCM para compensar vários AFDs

Desvantagens

• Normalmente mais caro que outros métodos devido às seções de controle e potência de alto desempenho
• A unidade em série deve ser dimensionada para carga total

Soluções para Instalações Comerciais

Em uma fase trifásica, 4-sistema de energia com fio que fornece energia para fontes de alimentação comutadas monofásicas (fontes de alimentação de computador, por exemplo) ou iluminação fluorescente, harmônicos significativos (todos os harmônicos estranhos, geralmente) fluxo nos condutores de fase como resultado da corrente não linear consumida pelas cargas. No condutor neutro, as correntes do 3º harmônico (e todos os múltiplos ímpares do 3º harmônico, 9ª, 15ª, etc. – também chamado de triplens) de cada fase são somados e podem sobrecarregar os condutores neutros, conexões em painéis e transformadores se a situação não for resolvida. A corrente neutra pode se aproximar 175% da corrente do condutor de fase.

Existem várias maneiras de eliminar os harmônicos ou “conviver com” os harmônicos resultantes. Cada solução tem vantagens e desvantagens económicas e técnicas.

A seguir estão soluções típicas e comercialmente disponíveis para problemas associados a terceiros harmônicos em sistemas de potência.

Filtro de bloqueio neutro

Um filtro de bloqueio neutro é uma combinação de capacitor e reator conectado em série com o condutor neutro. Esses componentes são “ressonantes paralelos” no 3º harmônico permitindo 60 Hz (carga normal) corrente flua, mas têm uma impedância extremamente alta para a corrente de 3º harmônico e não permitem que a carga “fonte” de corrente nessa frequência.

A aplicação deste tipo de filtro a um transformador de distribuição bloqueia todas as cargas a jusante de
gerando 3º harmônicos. Isto tem o benefício adicional de reduzir a corrente de carga (rms) de todas as cargas e pode reduzir significativamente as perdas no transformador e nos condutores entre o transformador e as cargas.

Vantagens

• Reduz as correntes neutras em mais de 80% (impedindo o fluxo de corrente de 3º harmônico)
• Diminui a corrente de fase eficaz em 10-30%
• Libera capacidade não utilizável em até 30%
• Remove a corrente de 3ª harmônica de todos os neutros do sistema, do transformador para fora
a saída mais distante • Melhor potencial para economia de energia

Desvantagens

• Alto custo
• Dimensionado para carga máxima esperada do neutro do transformador
• Pode aumentar a distorção de tensão nos terminais de carga.

Transformadores em zigue-zague (Armadilhas de Sequência Zero)

Os terceiros harmônicos gerados por cargas não lineares monofásicas fluem de volta através do neutro compartilhado. Se o transformador não for projetado para “lidar” com correntes harmônicas excessivas ou se o circuito neutro a montante não for superdimensionado, os harmônicos devem ser endereçados antes do transformador. Um transformador zig-zag aplicado externamente (também chamada de “armadilha de sequência zero”) a um transformador delta-estrela existente ou embutido no próprio transformador (a configuração do enrolamento seria então delta zig-zag, tipicamente), fornece impedância muito baixa para 3º harmônico (e múltiplos ímpares da 3ª) correntes.

A aplicação de um transformador zig-zag ou de um transformador de distribuição delta/zig-zag simplesmente
fornece um caminho alternativo para o fluxo das correntes do 3º harmônico e não permite que a corrente flua de volta através do transformador abaixador principal. Isto reduz a distorção geral de tensão a montante do transformador e/ou para outras cargas paralelas, em alguns casos, a jusante. Às vezes, um reator de linha opcional é aplicado para reduzir a divisão de corrente entre o transformador original e o novo transformador em zigue-zague e para forçar a maior parte da corrente do 3º harmônico através do transformador em zigue-zague..

Vantagens

• Pode ser adaptado a sistemas existentes ou pode ser especificado em novas construções onde
correntes harmônicas monofásicas significativas são esperadas.
• Pode ou não aumentar significativamente o custo do sistema dependendo da aplicação
e design.

Desvantagens

• Pode ou não aumentar significativamente o custo do sistema dependendo da aplicação
e design.
• Permite o fluxo de harmônicos, mas simplesmente fornece um caminho de baixa impedância de volta à fonte.
• Pode aumentar a corrente de falta disponível, reduzindo a impedância de sequência zero.
• Pode aumentar os harmônicos reduzindo a impedância da fonte do ponto de vista da carga.

Neutro superdimensionado, Transformadores com classificação K e/ou redução da classificação do transformador

Entender que a magnitude da corrente no circuito neutro pode se aproximar 175% da corrente nas fases quando harmônicos significativos de 3ª ordem estão presentes, vários métodos foram desenvolvidos para “conviver” com o aumento da corrente sem gastar uma quantia significativa de dinheiro. Esses métodos envolvem aumentar a capacidade harmônica dos componentes do sistema de potência ou desclassificar os componentes para acomodar as correntes harmônicas..

Um método de desclassificação dos componentes do sistema de potência é dobrar o tamanho do neutro
condutor. Isso envolve aumentar o tamanho do condutor neutro para duas vezes o tamanho da fase
condutor em qualquer circuito onde um “neutro compartilhado” é usado. Isso inclui painéis e circuitos neutros compartilhados, como os encontrados em subcircuitos de cubículos em edifícios de escritórios., por exemplo. Hoje, para muitas instalações, cada circuito inclui um condutor de fase e seu próprio condutor neutro.

Portanto, o único neutro verdadeiramente “compartilhado” está no painel e no transformador. Contudo, para instalações existentes, este definitivamente não é o caso. Os transformadores com classificação K são projetados para “conviver” com correntes harmônicas excessivas, mantendo valores típicos de impedância, conforme descrito anteriormente neste artigo. (ou seja,, estes não são simplesmente transformadores superdimensionados). Tipicamente, os enrolamentos e o neutro têm uma classificação significativamente mais alta em comparação com um transformador padrão e a conexão padrão é delta/estrela. Diz-se que o enrolamento delta “prende” os harmônicos triplos (3rd’s e múltiplos de 3º) mas ambos os conjuntos de enrolamentos devem ser classificados para acomodar as correntes harmônicas.

Para sistemas que alimentam principalmente cargas de fonte de alimentação comutada, um K13 ou K20 pode ser necessário para utilizar toda a capacidade nominal (kVA).

Finalmente, se um transformador estiver alimentando principalmente cargas não lineares e o transformador não for um transformador com classificação K ou outros transformadores projetados para lidar com harmônicos, o transformador deve ser desclassificado de acordo com a recomendação do IEEE Emerald Book na Figura 14.

Vantagens

• Geralmente, estes são os métodos menos dispendiosos de lidar com correntes harmônicas em
o sistema de potência assumindo que o sistema e outras cargas podem lidar com o excesso
distorção de corrente e/ou tensão. Como a maioria dos transformadores normalmente não são carregados até
classificação em kVA (a carga típica do transformador está na faixa de 30-40%), a desclassificação é muitas vezes o
solução mais razoável e menos dispendiosa.

Desvantagens

• Todas essas soluções simplesmente “convivem” com as correntes harmônicas excessivas na fonte de alimentação
sistema. Eles não reduzem inerentemente a distorção de corrente ou tensão.

Soluções Harmônicas para Correção do Fator de Potência

Muitas vezes, soluções harmônicas são substituídas por capacitores de correção do fator de potência. Os capacitores são geralmente aplicados a um sistema de potência por uma das três razões:
• Melhorar o fator de potência
• Aumentar a capacidade do sistema, especialmente em transformadores ou cabos (reduzindo o kVA total)
• Melhorar a eficiência em kW – ou seja,. reduzir a corrente de carga total, resultando na redução das perdas I2R.

Quando existem harmônicos em um sistema de potência com capacitores, ressonância harmônica pode danificar os capacitores ou outros componentes do sistema de potência. Além, harmônicos normalmente aparecem como componentes de potência reativa - ou seja. mais harmônicos = menor fator de potência

Às vezes, se você está tentando melhorar o fator de potência, o resultado pode ser ressonância harmônica (um resultado negativo). Às vezes, se você está tentando reduzir o fluxo de harmônicos no sistema de energia, você pode realmente melhorar o fator de potência (um resultado positivo). Deve-se ter cuidado para compreender a complexa relação entre capacitores e harmônicos [4].

Evitando a ressonância harmônica

Para evitar ressonância harmônica, corrija ainda o fator de potência, duas opções estão disponíveis:

1. Aplique outro método de compensação kvar para corrigir o fator de potência. Outras soluções harmônicas que compensarão a fundamental (50 ou 60 Hz) corrente reativa inclui; filtros de harmônicas, filtros ativos e filtros de unidade de banda larga em série. Além, a maioria dos drives hoje que usam um circuito retificador de diodo no front-end tem um fator de potência relativamente alto, então acione soluções com outras soluções de mitigação de harmônicos (reatores, 18 pulso, mudança de fase, etc) tendem a melhorar o fator de potência. Além, condensadores síncronos podem fornecer correção do fator de potência e evitar ressonância harmônica.
2. Altere o tamanho do banco de capacitores para compensar demais ou subcompensar o kvar necessário e conviver com as ramificações. Deve-se tomar cuidado para garantir que este método não cause outros problemas (especialmente problemas de sobretensão se a sobrecompensação for feita).

A escolha correta realmente depende da situação. Se uma solução harmônica pudesse aliviar a penalidade do fator de potência e reduzir os harmônicos gerais do sistema, talvez esta seja sua melhor escolha. Caso contrário, simplesmente alterar o tamanho do capacitor é normalmente a solução menos dispendiosa, desde que a sobretensão resultante da sobrecompensação ou a penalidade do fator de potência do transformador resultante da subcompensação sejam aceitáveis.

Soluções de Baixa Tensão versus Média Tensão

Um fator importante para a aplicação de capacitores ou soluções harmônicas para correção do fator de potência é se a solução deve ser aplicada na baixa tensão. (LV) ou média tensão (VM) nível. Se a penalidade do fator de potência for a única preocupação, uma solução de média tensão é normalmente a escolha mais econômica para bancos maiores (tipicamente > 1500 kVA). Além, a ressonância harmônica é muitas vezes mais fácil de evitar no nível MT, o que significa que capacitores retos podem ser aplicados. Contudo, para bancos multiestágios, A comutação de MT acrescenta custos significativos e, portanto,, os bancos em MV normalmente têm estágios maiores comutados ou fixos.

Se melhorar a capacidade do sistema ou melhorar a eficiência em kW são preocupações significativas, então aplicar soluções de BT é sempre a escolha mais económica. Além, para requisitos de kvar menores, Os bancos LV são quase sempre a solução mais económica.

COMO A REDUÇÃO DE HARMÔNICOS PODE ECONOMIZAR DINHEIRO?

A correção de um problema harmônico pode economizar dinheiro de maneiras óbvias se o problema resultar em danos físicos ao equipamento ou operação incorreta do equipamento. O alívio desses problemas mostra um retorno imediato se o dano ou o custo associado à operação incorreta for mais substancial do que o custo da solução. Outros problemas sutis, mas às vezes significativos, surgem como resultado de correntes harmônicas fluindo por todo o sistema de energia, distorcendo a tensão.. Estas questões referem-se principalmente aos custos associados à eficiência reduzida dos equipamentos do sistema de energia que operam em frequências diferentes da 50 ou 60 Hz para os quais foram projetados.

A seguir estão algumas maneiras pelas quais os harmônicos podem custar-lhe dinheiro sem você perceber.

1. Transformadores, motores, geradores, cabos e sistemas UPS são frequentemente superprojetados quando há harmônicos presentes e o custo associado a esse projeto excessivo é ou pode ser significativo.

Considere o seguinte exemplo.

Se um gerador de backup for dimensionado para kW ou kVA de carga e fornecer energia para cargas harmônicas, a distorção de tensão resultante será substancialmente maior do que quando as mesmas cargas são alimentadas pela fonte da concessionária (transformar). Figura 15 mostra a diferença entre a distorção de tensão quando a fonte é a concessionária e o gerador de backup. Observe que o gerador normalmente tem pelo menos três vezes a impedância do transformador, causando significativamente mais distorção. Por esta razão, os geradores são frequentemente superdimensionados para “lidar” com a distorção da corrente, aumentando o custo de geração por kW de carga.

2. perdas de kW em cabos, transformar, geradores e motores são significativos quando você considera que a raiz quadrada média (rms) a corrente pode ser normalmente 10-40% maior com a presença de harmônicos do que seria com o 50 ou 60 Corrente Hz fazendo o “trabalho”. Reduzindo a corrente harmônica em cargas a jusante (usando um filtro de bloqueio em um circuito com cargas substanciais de 3º harmônico, por exemplo) pode reduzir as perdas do sistema 3-8%. As poupanças associadas a esta redução nas perdas podem normalmente pagar pela solução num período de tempo razoável.

3. Se a tensão do sistema ficar distorcida como resultado de cargas harmônicas significativas, e uma quantidade apreciável de tensão de “sequência negativa” está presente (5o harmônico, por exemplo), motores consumirão uma corrente de 5º harmônico. Esta corrente produz um torque reverso e pulsante oposto à direção preferida dos motores que o motor deve superar para realizar o trabalho necessário..

Lutar constantemente contra esse torque reverso torna o motor quente e muito ineficiente. Falhas prematuras do motor e perdas substanciais resultarão. Neste caso, a distorção de tensão deve ser corrigida, mas pode não ser imediatamente evidente que existe um problema.

4. O baixo fator de potência como resultado de correntes harmônicas pode contribuir para uma penalidade de fator de potência da concessionária. Dependendo do método de cálculo que a concessionária usa, o fator de potência total (incluindo harmônicos) ou fator de potência de deslocamento (tensão e corrente fundamentais apenas) pode resultar em uma diferença significativa no fator de potência em sua conta. Como observado anteriormente, distorção harmônica significativa muitas vezes resultará em um baixo fator de potência total e o resultado poderá ser uma penalidade imposta pela concessionária no fator de potência hoje ou no futuro.
VTHD = 2.3% VTHD = 5.8%
Fonte Geradora de Fonte Utilitária

ABORDAGEM DE CARGA ÚNICA VERSUS SISTEMAS PARA SOLUÇÕES HARMÔNICAS

A decisão de aplicar uma solução harmônica em detrimento de outra é tipicamente econômica, mas também depende muito da eficácia da solução.. Mesa 2 mostra a eficácia “geral” de várias soluções harmônicas. Para cada solução o ITHD típico resultante é mostrado. Por exemplo, um reator de linha é certamente muito mais barato que um filtro ativo, mas um reator de linha típico apenas reduzirá os harmônicos de corrente para aproximadamente 35% enquanto um filtro ativo reduzirá a distorção de corrente para menos de 5% garantindo que os problemas harmônicos provavelmente serão eliminados.

Figura 16(um) e 16(b) demonstrar o custo de várias soluções harmônicas para uma única carga versus uma abordagem de sistemas. Figura 16(c) mostra que quando o custo de um drive é adicionado ao custo de várias soluções, o custo das soluções é muito mais comparável e a eficácia de cada solução torna-se o principal critério de decisão.

Resumo

Tabelas 2 e 3 resumir as soluções harmônicas discutidas neste artigo. Mesa 2 define as soluções com referência ao tipo de equipamento de correção harmônica e Tabela 3 descreve as soluções com referência aos tipos de carga. As tabelas indicam as vantagens e desvantagens mais significativas de cada tecnologia. Detalhes de outras vantagens e desvantagens de cada solução são mostrados no corpo principal deste artigo..

A decisão de aplicar soluções harmônicas em BT ou MT e se essa solução deve ser aplicada a uma carga individual ou como uma solução de “sistema”, depende da economia da situação, bem como da eficácia da solução(s). Cada solução tem mérito dadas diferentes circunstâncias. Selecionar a solução certa requer experiência com cada tipo de tecnologia para garantir que é a melhor solução técnica e económica para a aplicação.

Referências

1. D. J. Carnovale, “Aplicação de soluções harmônicas a sistemas de energia comerciais e industriais.” Globalcon, 2003, Boston, MA.
2. Padrão EEE 1100-1999 – Práticas recomendadas pelo IEEE para alimentação e aterramento de equipamentos eletrônicos (Esmeralda Livro)
3. IEEE Standard 519-1992 – Práticas recomendadas e requisitos para harmônicos do IEEE
   Controle em Sistemas Elétricos de Potência
4. D. J. Carnovale, “Correção do Fator de Potência e Ressonância Harmônica: Uma mistura volátil,” CE&M
   Revista, Junho, 2003.
5. T. Chave e J. Que, “Custo e benefício da redução de corrente harmônica para fontes de alimentação comutadas em um edifício de escritórios comerciais,”em Transações IEEE em Aplicações Industriais, Vôo. 32, Não 5, Setembro/Outubro 1996.
6. J. K. Piel e D. J. Carnovale, “Benefícios Econômicos e Elétricos dos Métodos de Redução Harmônica em Instalações Comerciais.” EPRI PQA 2003, Monterrey, CA
7. IEEE P519A – Rascunho 7. Grupo de Trabalho de Harmônicos – “Práticas Recomendadas e Guia para Aplicação de Limites Harmônicos em Sistemas de Potência”,