Цена и перформансе разматрања за хармонијских решења

Нашао сам овај одличан рад написан 2000 и одлучио да поделим са вама.

Аутори

Данијел Ј.. Царновале, П.Е. И**************@***он.цом Еатон | Цутлер-Хаммер Моон Товнсхип, Пенсилванија

Томас Ј.. Дионисе, П.Е. Тх************@***он.цом Еатон | Цутлер-Хаммер Варрендале, Пенсилванија

Томас М.. Процветао, П.Е. Тх*************@***он.цом Еатон | Цутлер-Хаммер Минеаполис, МН

Увод

Овај рад претпоставља да читалац има неко основно знање хармоника електроенергетског система. Као једноставан подсетник - опште прихватљиво објашњење је да хармонични ток струје или "потиче" из оптерећења и стварају дисторзију напона (или хармоника напона) јер пролазе кроз узводно енергетских компоненти система, као што су каблови импедансе, трансформатори, и генератори. У глобалу, даље од извора хармоничних струја (ИУ. оптерећења), мање напона дисторзија видећете. Наравно постоје изузеци и хармоника напона може бити "у продукцији" неки опремом (неки генератори, на пример) али општа дискусија о овом раду бави стандардним разматрања када се ради са типичним хармоничних производњу оптерећења у комерцијалне и индустријске електроенергетских система.

Често када предмет квалитета електричне енергије настаје, људи аутоматски претпостављају да предмет се односи на хармоници. Ова два термина су смењују и, нажалост, много конфузије је дошло као резултат. Предмет хармоника је под-сет Повер квалитета (ПК). Остале снаге квалитет разлози укључују варијације (Сагс, прекиди, треперење, итд), транзијенти (скочио, муња, пребацивање догађаји), и утемељује - сви који су значајни субјекти на сопствену. Дакле, свака ПК проблем није везан за хармоника.

Што се тиче хармонијских проблема, суштина је ово: Хармоници нису проблем осим ако нису проблем. Као и код свих брига о квалитету струје, не бисте требали нешто сматрати ПК проблемом осим ако је проблем трошак (у погледу комуналних казни, новчани губици, губици у производњи или неисправан рад).

Само зато што у вашем систему теку хармонијске струје и мерите изобличење напона, не морате нужно имати проблем. Врло често, Покрећу се проблеми хармоника јер су нивои премашили ИЕЕЕ Стд 519-1992 препоручене границе негде у електроенергетском систему.

Чињеница је да већина опреме може да издржи нивое хармонијске дисторзије знатно изнад ових конзервативних препоручених граница. Хармоници су занимљиви и могу бити проблематични, али се често окривљују за проблеме без правог доказа. Одвојите време да научите о хармоницима и како на системе за напајање и опрему заправо утиче и уштедећете себи много проблема и свакако много новца!

Једном када сте идентификовали да заиста имате проблем са квалитетом енергије у вези са хармоницима, размислите о овоме – постоји најмање десет начина да решите свој проблем. Које је право за вас и биће најисплативије решење, а које ће јасно решити проблеме са којима се суочавате? Економска дискусија (бирајући које је решење најмање “најбоље”) захтева веома детаљну анализу и овај рад ће дати смернице које ће помоћи у доношењу те одлуке. Додатно, избор хармонског решења није увек економска одлука у сваком случају. Цена и перформансе су дефинитивно међусобно повезане и потребно је узети у обзир оба да би се јасно изабрало „најбоље“ решење.

Хармониц Соурцес

Одакле долазе хармоници? Опште категорије хармонијских производних оптерећења (називају се и нелинеарна оптерећења) су:

• Енергетска електронска опрема (дискови, исправљачи, рачунари, итд)
• Лучни уређаји (заваривачи, пећима, флуоресцентна светла, итд)
• Уређаји за засићење гвожђа (трансформатори)
• Ротационе машине (генератори)

Данас, најзаступљенији и растући хармонични извори су:

• Подесиви фреквентни претварачи (АФД)
• Напајања у прекидачком режиму (рачунари)
• Флуоресцентна муња

Хармоницс Симптомс

Како знаш да имаш проблем? Једини начин да сазнате је да идентификујете симптоме хармоника. Врло често, ако препознате специфичне симптоме хармоника, проблем је већ створио проблеме на вашем систему напајања. Трик је у препознавању "потенцијалних" симптома и идентификацији потенцијалних хармоничних проблема пре него што се појаве или у примени корекције у дизајну система. Понекад ће моделирање и једноставна израчунавања помоћи да се идентификују проблеми пре него што постану проблем.

Симптоми хармонијских проблема могу се поделити у четири главне области: Квар опреме и неисправан рад, економских разматрања, примена кондензатора за корекцију фактора снаге и друга питања. Следећи симптоми су примери квара и неисправности опреме повезане са хармоницима на електроенергетском систему.

• Урезивање напона
• Неправилан рад електронске опреме
• Закључавање рачунара и/или ПЛЦ-а
• Прегревање (мотори, каблови, трансформатори, неутрални)
• Вибрације мотора
• Звучна бука у трансформаторима и ротирајућим машинама
• Сметња у раду прекидача
• Неисправан регулатор напона
• Неисправан регулатор генератора
• Грешке у времену или дигиталном сату
• Електрични пожари

Следе економска разматрања која треба проценити у погледу хармоника.

• Губици/неефикасност (мотори)
• кВ губици у кабловима и трансформаторима
• Низак укупни фактор снаге
• Разматрање величине генератора
• Разматрање величине УПС-а
• Забринутост око капацитета (трансформатори, каблови)
• Комунално предузеће је изрекло казне

Примена кондензатора за корекцију фактора снаге захтева посебна разматрања у погледу хармоника.

• Кварови кондензатора
• Осигурач или прекидач (кондензатори за напајање) сметња триппинг
• Израчунати или измерени услови хармонске резонанције (серијска или паралелна резонанца)

Друга значајна питања обично се подижу у погледу хармоника. Занимљиво, ови проблеми често нису стварни проблеми, већ напротив, изазван недостатком разумевања хармоника. Многи „проблеми са хармоницима“ су проблеми са спецификацијама, а не стварни проблеми.

• Мерење – да ли заиста имате проблем или сте управо инсталирали нови мерач који вам може показати таласни облик и „изгледа као да би требало да имате проблем?
• Маркетиншка узбуђења заснована на спецификацији производа – да ли уопште имате проблем или вас неко плаши да поверујете да проблем постоји па купите њихов производ?
• Спецмансхип – „Ти ћеш пратити ИЕЕЕ-519…”. Док је ИЕЕЕ519 препоручена пракса (имајте на уму да је кључна реч „ПРЕПОРУЧЕНО“), мора се мало размислити о практичној страни стандарда. Додатно, применом ограничења ИЕЕЕ519 на другим локацијама у електроенергетском систему (осим тачке заједничке спреге, или ПЦЦ) је обично претерано и често скупо или проблематично.

Сваки од ових симптома или проблема може се расправљати у сопственом техничком документу, али довољно је рећи да је величина „трошка“ ових симптома обично пропорционална сложености и цени решења.

ИЕЕЕ СТД 519-1992

ИЕЕЕ Стд 519-1992 је „Препоручена пракса ИЕЕЕ и захтеви за хармонијску контролу у електроенергетским системима“. Многи људи користе табеле ограничења изобличења напона и струје како би утврдили да ли ће хармоници изазвати проблем у њиховом систему напајања (или електроенергетски систем њиховог клијента ако су консултант). Овај стандард је током година озбиљно злоупотребљен и погрешно цитиран. Много пута се економска решења „одабиру“ на основу погрешне примене стандарда и уз значајну цену за крајњег корисника.

Спецификације узорка премашују ИЕЕЕ препоруке

Следи текст из узорка спецификације. Приметити: ово није препорука, већ узорак погрешног тумачења ИЕЕЕ 519 стандард за инсталацију погона.

Вредности хармонијске дисторзије које су резултат рада свих или било које комбинације оптерећења мотора са погоном променљиве фреквенције које раде при пуном оптерећењу биће ограничене како је дефинисано у последњем издању ИЕЕЕ стандарда 519.

Ова изјава је у реду али, по стандарду, важи само за ПЦЦ (тачка-заједничка спрега) са услужним програмом – није као што је овде дефинисано. Ово покреће ширу дискусију о локацији ПЦЦ-а (погледајте следећи одељак о ПЦЦ-у). Занимљиво, чак и са овом изјавом као заглављем (у истој спецификацији), изјаве 1, 3 и 4 у наставку су у супротности са ИЕЕЕ 519 препоруке.

1. Максимално дозвољено укупно изобличење хармонијског напона (ТХД): 3% од фундаменталних
2. Максимално дозвољено изобличење хармонијског напона појединачне фреквенције: 3% од фундаменталних
3. Максимална дозвољена појединачна фреквенција и изобличење укупне хармоничке струје (ТДД): 5% од фундаменталних
4. Нивои хармонијске дисторзије морају бити специфични за сабирницу централе која напаја једну јединицу или групу претварача променљиве фреквенције
5. Трошкове било које и све корективне опреме за ограничавање нивоа хармоника на ове вредности сноси произвођач.

Иако ће ова спецификација значајно минимизирати све хармонике система напајања знатно испод било којег пожељног нивоа, јасно је изван препорука које су дате стандардом. Како се испоставило, инжењер за спецификацију ће покрити све потенцијалне проблеме пре него што се појаве, али ће значајно повећати цену посла. Препоручује се практичнији приступ. То је речено, цена корективне опреме након чињенице је обично већа, тако да треба узети у обзир потребна ограничења и учинити неке уступке како би се испунили захтеви ИЕЕЕ уз имплементацију практичног решења.

Хармоници напона или струје?

Још једна изјава везана за ИЕЕЕ 519 која често изазива значајне контроверзе је следеће:

Изабрана фирма треба да дизајнира и примени лекове који би смањили укупну хармонијску дисторзију на секундарној страни главног сервисног трансформатора на мање од 5%.

Питање у овом случају је – хармоници напона или струје? Главна брига стандарда је изобличење напона. У неким случајевима када је ИСЦ/ИЛ низак (ИУ. оптерећење је висок проценат капацитета система), граница струјног изобличења је 5% (већ само да се минимизира изобличење напона). ИЕЕЕ 519 Стандард јасно каже да хармоничке струје треба смањити да би се минимизирала изобличења напона. Хармоничне струје такође треба смањити како би се смањило оптерећење система али чак и максимално дозвољено (20%) изобличење ће само повећати укупни средњи квадрат (РМС) струја за приближно 2%.

Тачка заједничког спајања (ПЦЦ)

По Стандарду, ПЦЦ је место где се други потрошачи могу опслуживати и није нужно секундарни део главног услужног трансформатора и свакако није низводна табла, МЦЦ, хранилица или терет. Имајте на уму да понекад у уговорима о комуналним услугама, ПЦЦ се може експлицитно дефинисати на локацијама које нису дефинисане у ИЕЕЕ 519, као што је мерно место.

Такође, будите опрезни према произвођачу опреме, извођачи или инжењери који инсистирају на томе да једно оптерећење мора бити у складу са ИЕЕЕ-519 препорукама за напон и струју. Ово никада није била намера стандарда.

ХАРМОНИЧНА РЕШЕЊА

Следе хармонијска решења која су комерцијално доступни производи или комбинације производа за смањење хармонских струја и минимизирање изобличења хармонијског напона у систему напајања. Хармонска решења су подељена у три главне категорије: решења за погон и исправљач (типично за индустријске објекте), решења за комерцијалне објекте и хармонска решења за корекцију фактора снаге.

Решења за погоне и исправљаче

Следећа решења су за погон или трофазни исправљач (велики УПС-ови, на пример) апликације где се генерише значајна количина хармонске струје.

Линијски реактори

Линијски реактор (гушити) је трофазна серијска индуктивност на линијској страни претварача. Ако се линијски реактор примењује на свим АФД, могуће је испунити ИЕЕЕ смернице где до 15% до 40% оптерећења система су АФД, у зависности од крутости линије и вредности реактансе линије. Линијски пригушници су доступни у различитим вредностима процентне импедансе, најтипичније 1-1.5%, 3%, и 5%.

ИЕЕЕ 519А показује пример предности коришћења линијских пригушница на слици 2. Табела 1 је резиме типичног изобличења струје за погон са линијским реактором различитих величина.

Табела 1 – Линијски реактор вс. Очекивани хармоници

Предности

• Ниска цена
• Може да обезбеди умерено смањење хармоника напона и струје
• Доступан у различитим вредностима процентне импедансе
• Пружа повећану улазну заштиту за АФД и његове полупроводнике од транзијента у линији

Недостаци

• Може захтевати одвојену монтажу или веће АФД кућиште
• Не може смањити нивое хармоника испод ИЕЕЕ519 1992 смернице

К-фактор и погонски изолациони трансформатори

Ундервритерс Лабораториес (УЛ) а произвођачи трансформатора су успоставили метод оцењивања, тхе КФацтор, за трансформаторе сувог типа да процени њихову подобност за рад у хармонијском окружењу. К-фактор повезује способност трансформатора да напаја различите степене нелинеарног оптерећења без прекорачења граница номиналног пораста температуре трансформатора. К-фактор је заснован на предвиђеним губицима како је наведено у поједностављеној методи ИЕЕЕ Стд Ц57.110-1986, Пракса коју препоручује ИЕЕЕ за успостављање способности трансформатора при напајању несинусоидних струја оптерећења (АНСИ). Ограничавајући фактор везан за прегревање поново се претпоставља да су губици вртложних струја у намотајима.

Трансформатори са К-фактором не нуде средства за смањење јачине хармонске струје (осим што нуде линијску реактанцију – види линијски реактори). Али Кфацтор метода омогућава инжењеру да изабере трансформатор сувог типа који може да издржи хармонијску дужност без оштећења или губитка перформанси. Стандардне оцене К-фактора су 4, 9, 13, 20, 30, 40, и 50.

Трансформатори за изолацију погона су слични трансформаторима К-фактора по томе што нуде линијску импеданцију сличну линијском реактору и смањују количину хармоничке струје којој је „дозвољено“ да тече до оптерећења, али иначе не смањују хармонике из погона. Обично, они су а 1:1 трансформатор односа и користе се за заштиту других оптерећења од високих фреквенција које ствара погон и користе се у комбинацијама за стварање 12-пулсног дистрибутивног система.

Предности

• Може да обезбеди умерено смањење хармоника напона и струје додавањем реактансе извора
• Може да купи различите вредности процентне импедансе према потребама
• Пружа повећану улазну заштиту за АФД и његове полупроводнике од транзијента у линији
• Може се користити у комбинацији са линијским пригушницама и трансформаторима за поништавање хармоника.

Недостаци

• Трансформатори К-фактора сами по себи представљају метод за „живот са” хармоницима, али неће значајно смањити хармонике у односу на јефтиније реакторско решење.
• Мора бити величине (потпуно оцењен) да одговара сваком погону или групи дискова.
• Обично се не могу искористити предности различитости оптерећења.
• Не може смањити нивое хармоника на испод
ИЕЕЕ519 1992 смернице

ДЦ Цхоке

Ово је једноставно серијска индуктивност (реактор) на страни једносмерне струје полупроводничког мостног кола на предњем крају АФД-а. На много начина, ДЦ пригушница је упоредива са еквивалентним пригушницама на страни наизменичне струје, иако % Тотал Хармониц Дистортион (ТХД) је нешто мање. ДЦ пригушница обезбеђује веће смањење првенствено 5. и 7. хармоника. На хармоницима вишег реда, линијски реактор је супериорнији, дакле у погледу испуњавања ИЕЕЕ смерница, ДЦ пригушница и линијски реактор су слични. Ако ДЦ пригушница (или линијски реактор) примењује се на све АФД, могуће је испунити ИЕЕЕ смернице где до 15% до 40% оптерећења система су АФД, у зависности од крутости линије, износ линеарних оптерећења и вредност индуктивности пригушнице.

Предности

• Упаковано у АФД
• Може да обезбеди умерено смањење хармоника напона и струје
• Мањи пад напона од еквивалентног линијског пригушнице

Недостаци

• Мања заштита од других метода за АФД улазне полупроводнике
• Не може смањити нивое хармоника испод ИЕЕЕ Стд 519-1992 смернице
• ДЦ импеданса пригушнице је типично фиксирана дизајном (поље није могуће изабрати)
• Није доступно као опција за многе АФД уређаје.

12-Импулсни претварачи

A 12 Импулсни претварач укључује два одвојена АФД улазна полупроводничка моста, који се хране из 30 степен фазно померени извори напајања са идентичном импедансом. Извори могу бити два изолациона трансформатора, где је један делта/вие дизајн (који обезбеђује фазни помак) а други делта/делта дизајн (који не мења фазу). Такође може бити трансформатор са "три намотаја" са примарним делта и секундарним намотајима делта и вие. Линијски реактор једнаке импедансе као делта/вие трансформатор се такође може користити уместо делта/делта трансформатора.

Аранжман од 12 импулса дозвољава одређене хармонике (првенствено 5. и 7) из првог претварача да поништи хармонике другог. До отприлике 85% може се постићи смањење хармонске струје и изобличења напона (преко стандардног 6-пулсног претварача). Ово омогућава објекту да користи већи проценат АФД оптерећења према ИЕЕЕ Стд 519-1992 смернице од дозвољеног коришћењем линијских пригушница или једносмерних пригушница.

Предности

• Разуман трошак, иако знатно више од реактора или пригушница
• Значајно смањење (до прибл. 85%) у хармоницима напона и струје
• Пружа повећану улазну заштиту за АФД и његове полупроводнике од транзијента у линији

Недостаци

• Усклађивање импедансе фазно померених извора је критично за перформансе
• Трансформатори често захтевају одвојену монтажу или већа АФД кућишта
• Не може смањити нивое хармоника дистрибуције испод ИЕЕЕ Стд 519-1992 смернице

Хармонични трансформатори за ублажавање или вишепулсна дистрибуција

Ово је слично 12-пулсном претварачу, на макро скали. Ако су два АФД једнаких ХП и оптерећења фазно померена напајањем једног АФД-а из делта/вие трансформатора, и напајање другог кроз делта/делта трансформатор или линијски реактор еквивалентне импедансе, могу се постићи перформансе сличне 12-пулсним. Отказивање ће се погоршати како се оптерећења разликују од АФД до АФД, иако како се оптерећење на једном АФД-у смањује, проценат доприноса индивидуалне дисторзије се смањује, што резултира мањом потребом за отказивањем. Могуће је да објекат са великим бројем АФД напаја две половине дистрибуције из фазно померених трансформатора, што даје велико смањење нивоа хармоника уз минималне трошкове, и омогућавање већег процента АФД оптерећења према ИЕЕЕ Стд 519-1992 смернице.

Вишеструки трансформатори се могу користити за развијање различитих фазних помака између извора хармоничних струја. На пример, два трансформатора са а 60 Хз фазни помак од 30 степени између њих ће резултирати отказивањем 5 , 7ог , 17ог , и 19, итд. хармоника и личиће 12 систем импулсног погона.

Прошла су четири трансформатора 15 степени један у односу на други ће резултирати дистрибуцијом од 24 импулса и значајно ће минимизирати резултујуће хармонике узводно од заједничке магистрале.

Предности

• Трошкови могу бити ниски или високи у зависности од имплементације
• Обезбеђује значајно смањење (50-80%) у хармоницима напона и струје
• Пружа повећану улазну заштиту за АФД и његове полупроводнике од транзијента у линији

Недостаци

• Трошкови могу бити ниски или високи у зависности од имплементације
• Усклађивање импедансе фазно померених извора је критично за перформансе
• Максимално отказивање се дешава само ако је оптерећење погона уравнотежено
• Трансформатори ће захтевати одвојену монтажу
• Не може смањити нивое хармоника испод ИЕЕЕ Стд 519-1992 смернице

Тунед Хармонични Филтери

Подешени хармонијски филтери се састоје од комбинације елемената реактора и кондензатора. Корекција фактора снаге може бити уграђена у дизајн филтера, али се мора водити рачуна ако се филтер примењује на нивоу система тако да 60 Хз капацитивна компензација не повећава значајно напон система током услова са малим оптерећењем. Често, комутирани хармонички филтер (у корацима од 50 лево, на пример) може се користити за регулисање количине 60 Хз и филтрирање које захтевају динамички променљива оптерећења.

Ови филтери су инсталирани у шант аранжману на линијској страни АФД-а или на заједничкој магистрали за вишеструка оптерећења погона. Подешени филтер је кратак спој или веома ниска импеданса на „подешеној“ фреквенцији. За погонска оптерећења, подешени филтери су подешени нешто испод 5. хармоника, што је највећа компонента хармонијске дисторзије. Филтер ће такође апсорбовати неку струју 7. хармоника. Такође се може користити филтер 7. хармоника или додатни филтери подешени на хармонике вишег реда. Потребно је више пажње са применом подешених хармонијских филтера него са другим методама. Филтер може бити преоптерећен ако се не води рачуна о свим хармонијским изворима у систему. Ако се додају додатна АФД или нелинеарна оптерећења без филтрирања, претходно инсталирани филтери могу бити преоптерећени (углавном су спојени ради заштите). За индустријску примену, опциони линијски реактор који се користи заједно са филтером минимизира могућност да се то догоди и побољшава перформансе филтера (укупна реактанца је често подељена између АФД/интерног реактора и опционог реактора).

Много пута, ако је потребна корекција фактора снаге на електроенергетском систему са хармонијским изворима, подешени хармонички филтер ће бити примењен уместо кондензатора да би се обезбедила реактивна снага, док ће се обезбедити предвидљива резонантна фреквенција.

Предности

• Дозволите већи проценат оптерећења АФД система од линијских пригушница и пригушница
• Обезбеђује корекцију фактора снаге
• Један филтер може да компензује више погона

Недостаци

• Већа цена
• Одвојени монтажни и заштитни уређај (прекидач/осигурач) потребан
• Не може смањити нивое хармоника испод ИЕЕЕ Стд 519-1992 смернице
• Потребна је пажња у примени како би се осигурало да се филтер не преоптерети
• Потребна је пажња у примени како би се осигурало да прекомерна компензација неће повећати напон
значајно
• Може да доведе до водећих фактора снаге при условима малог оптерећења

Филтери за блокирање широког пропусног опсега

Ови филтери су слични подешеним филтерима, али имају неке велике разлике у дизајну. Пошто су подешени филтери повезани паралелно са хармонијским оптерећењима, Широкопојасни филтери су повезани серијски са АФД-ом и носе пуну АФД струју. Ова разлика пружа додатну заштиту за део улазне снаге АФД-а. Широкопојасни филтери не захтевају подешавање, побољшати фактор снаге за систем и минимизирати све хармонијске фреквенције, укључујући и 3. хармоник. Додатно, избегавају резонанцију система и нису преоптерећени хармоницима од других оптерећења.

Предности

• Омогућава већи проценат оптерећења АФД система од линијских пригушница и пригушница
• Пружа повећану улазну заштиту за АФД и његове полупроводнике од транзијента у линији
• Пружа додатну заштиту за АФД улазну струјну секцију
• Обезбеђује корекцију фактора снаге система
• Типични филтери за блокирање симулирају 12/18 хармонике импулсног погона

Недостаци

• Висока цена
• Потребна је посебна монтажа
• Захтева један филтер по драјву
• Не може смањити нивое хармоника испод ИЕЕЕ Стд 519-1992 смернице
• Може да доведе до водећих фактора снаге у условима малог оптерећења

18 Импулсни претварач – Диференцијална Делта

Овај метод је сличан 12-пулсним претварачима, иако уместо коришћења двофазних извора напајања и полупроводничких мостова, користе се три. Један произвођач користи посебно намотан аутотрансформатор (Дифферентиал Делта) и 18 улазни полупроводници. Када се користи овај аранжман, преко 90% хармонијских струја се поништавају (Типично тотално изобличење хармонијске струје од 2-3%).

Предности

• Практично гарантује усклађеност са ИЕЕЕ Стд 519-1992 – одличан за вожњу >100 ХП
• Пружа повећану улазну заштиту за АФД и његове полупроводнике од транзијента у линији
• До 4 пута хармонијску редукцију од 12 пулсне методе
• Мањи трансформатор од изолационог трансформатора који се користи у 12-пулсном претварачу

Недостаци

• Већа цена (али много боље перформансе)
• Већи и тежи магнети од неких других метода

Активни филтери

Овај метод користи софистицирану електронику и ИГБТ секције за напајање да убризга једнаке и супротне хармонике у систем напајања да поништи оне које стварају друга оптерећења. Ови филтери прате нелинеарне струје које се захтевају од нелинеарних оптерећења (као што су АФД) и електронски генеришу струје које одговарају и поништавају хармонијске струје оптерећења. Активни филтери су инхерентно нерезонантни и лако се повезују паралелно са оптерећењем система. Активни хармонијски филтери се могу користити за компензацију хармоника, хармонике и фактор снаге или једноставно за фактор снаге. Такође се могу користити са постојећим кондензаторима за корекцију фактора снаге без бриге о хармонијској резонанцији.

Паралелно (чешћи тип) активни хармонијски филтери компензују хармонијске струје оптерећења.
Паралелно (шант) активни филтери компензују изобличење напона изазвано оптерећењем поништавањем хармонијских струја оптерећења. Серијски активни хармонијски филтери компензују изворне хармонике (напон) али не компензују хармонијске струје оптерећења. Серијски филтери се генерално користе за заштиту оптерећења од оштећења изворних хармоника, док су шант филтери дизајнирани да заштите систем од хармоника оптерећења. Активни шант филтер ће компензовати хармонике и фактор снаге до својих максималних могућности и не може се преоптеретити.

Предности

• Гарантује усклађеност са ИЕЕЕ Стд 519-1992 ако је тачна величина
• Схунт јединица се не може преоптеретити чак ни када се додају будућа хармонијска оптерећења
• Поништавање хармоника од 2. до 50. хармоника
• Јединица повезана са шантом омогућава једноставну инсталацију без већег преправљања система
• Обезбеђује реактивност (наше) струје које побољшавају фактор снаге система
• Може бити дизајниран у МЦЦ за компензацију неколико АФД-а

Недостаци

• Обично скупљи од других метода због високих перформанси контроле и енергетских делова
• Серијска јединица мора бити димензионирана за укупно оптерећење

Решења за комерцијалне објекте

На 3-фази, 4-жичани систем напајања за напајање једнофазних извора напајања са прекидачким режимом (напајања рачунара, на пример) или флуоресцентно осветљење, значајни хармоници (сви непарни хармоници, обично) проток на фазним проводницима као резултат нелинеарне струје коју повлаче оптерећења. На неутралном проводнику, струје 3. хармоника (и сви непарни вишекратници 3. хармоника, 9ог, 15ог, итд. – називају се и троструки) из сваке фазе се сабирају и могу преоптеретити неутралне проводнике, везе у панелима и трансформаторима ако се ситуација не реши. Неутрална струја се може приближити 175% струје фазног проводника.

Постоје различити начини да се елиминишу хармоници или да се „живе са” резултујућим хармоницима. Свако решење има економске и техничке предности и недостатке.

Следе типична и комерцијално доступна решења за проблеме повезане са 3. хармоником на енергетским системима.

Филтер за неутрално блокирање

Филтер за неутрално блокирање је комбинација кондензатора и реактора која је повезана у серију са неутралним проводником. Ове компоненте су „паралелно резонантне“ на дозвољеном 3. хармонику 60 Хз (нормално оптерећење) струја да тече, али имају изузетно високу импедансу за струју 3. хармоника и не дозвољавају оптерећењу да „извори“ струју на тој фреквенцији.

Примена овог типа филтера на дистрибутивни трансформатор блокира сва низводна оптерећења од
генерисање 3. хармоника. Ово има додатну предност смањења струје оптерећења (РМС) од свих оптерећења и може значајно смањити губитке у трансформатору и проводницима између трансформатора и оптерећења.

Предности

• Смањује неутралне струје за више од 80% (спречавањем струјања 3. хармоника)
• Смањује ефективну фазну струју за 10-30%
• Ослобађа неупотребљив капацитет за исто толико 30%
• Уклања струју 3. хармоника из свих неутралних делова система, од трансформатора до
најудаљенији излаз • Најбољи потенцијал за уштеду енергије

Недостаци

• Висока цена
• Димензија за максимално очекивано оптерећење неутралног трансформатора
• Може повећати изобличење напона на терминалима оптерећења.

Зиг-цак трансформатори (Замке нулте секвенце)

Трећи хармоници генерисани једнофазним нелинеарним оптерећењем враћају се назад кроз заједничку неутралну страну. Ако трансформатор није дизајниран да „подноси“ прекомерне хармонијске струје или ако узводно неутрално коло није превелико, хармоници се морају адресирати пре трансформатора. Цик-цак трансформатор који се користи споља (такође се назива "замка нулте секвенце") на постојећи делта-вие трансформатор или уграђен у сам трансформатор (конфигурација намотаја би тада била делта цик-цак, типично), обезбеђује веома ниску импеданцију за 3. хармоник (а непарни вишекратници 3) струје.

Примена цик-цак трансформатора или делта/цик-цак дистрибутивног трансформатора једноставно
пружа алтернативни пут струјама 3. хармоника да тече и не дозвољава струји да тече назад кроз главни трансформатор за смањење. Ово смањује укупну дисторзију напона узводно од трансформатора и/или за друга паралелна оптерећења, у неким случајевима, низводно. Понекад се примењује опциони линијски реактор да би се смањила подела струје између оригиналног трансформатора и новог цик-цак трансформатора и да би се већи део струје 3. хармоника прогурао кроз цик-цак.

Предности

• Може се накнадно уградити у постојеће системе или се може специфицирати на новој конструкцији где
очекују се значајне једнофазне хармонијске струје.
• Може или не мора значајно повећати трошкове система у зависности од апликације
и дизајн.

Недостаци

• Може или не мора значајно повећати трошкове система у зависности од апликације
и дизајн.
• Омогућава проток хармоника, али једноставно обезбеђује пут ниске импедансе назад до извора.
• Може повећати доступну струју квара смањењем импедансе нулте секвенце.
• Може повећати хармонике смањењем импедансе извора са становишта оптерећења.

Оверсизед Неутрал, Трансформатори са ознаком К и/или смањење вредности трансформатора

Разумевање да се величина струје у неутралном колу може приближити 175% струје у фазама када су присутни значајни хармоници 3. реда, Развијено је неколико метода да се „живи са“ повећаном струјом без трошења значајне количине новца. Ове методе укључују или повећање хармонијског капацитета компоненти електроенергетског система или смањење вредности компоненти да би се прилагодиле хармоничким струјама.

Један од метода смањења вредности компоненти електроенергетског система је да се удвостручи величина неутралног
кондуктер. Ово укључује повећање величине неутралног проводника на двоструку величину фазе
проводник у свим колима где се користи "заједничка неутрална".. Ово укључује панеле и заједничка неутрална кола као што се налазе у под-круговима кабинета у пословним зградама, на пример. Данас, за многе инсталације свако коло укључује фазни проводник и сопствени неутрални проводник.

Дакле, једина истински „дељена“ неутрална је у панелу и на трансформатору. Међутим, за постојеће објекте, ово дефинитивно није случај. Трансформатори са ознаком К су дизајнирани да "живе са" прекомерним хармонским струјама уз одржавање типичних вредности импедансе као што је описано раније у овом раду (тј., ово нису само превелики трансформатори). Типично, намотаји и нулти имају знатно већу оцену у поређењу са стандардним трансформатором и стандардна веза је делта/вие. За делта намотај се каже да „хвата“ троструке хармонике (3рд-ови и вишекратници 3) али оба сета намотаја морају бити оцењена да прилагоде хармонијске струје.

За системе који примарно напајају оптерећење напајања у прекидачком режиму, К13 или К20 може бити потребан да би се искористио цео називни капацитет (кВА).

Коначно, ако трансформатор напаја првенствено нелинеарна оптерећења, а трансформатор није трансформатор са ознаком К или на други начин трансформатори дизајнирани за руковање хармоницима, трансформатор треба да се смањи у складу са препоруком ИЕЕЕ Емералд Боок на слици 14.

Предности

• Генерално, ово су најјефтиније методе бављења хармонијским струјама на
електроенергетски систем под претпоставком да систем и друга оптерећења могу да се носе са прекомерним
изобличење струје и/или напона. Пошто већина трансформатора обично није оптерећена
кВА оцена (типично оптерећење трансформатора је у опсегу од 30-40%), де-рејтинг је често
најразумније и најјефтиније решење.

Недостаци

• Сва ова решења једноставно „живе са” прекомерним хармонијским струјама на струји
система. Они сами по себи не смањују изобличење струје или напона.

Хармонична решења за корекцију фактора снаге

Често пута, хармонијска решења се замењују за кондензаторе за корекцију фактора снаге. Кондензатори се генерално примењују на енергетски систем из једног од три разлога:
• Побољшати фактор снаге
• Повећајте капацитет система посебно у трансформаторима или кабловима (смањењем укупне кВА)
• Побољшати кВ ефикасност – тј. смањити укупну струју оптерећења што резултира смањењем И2Р губитака.

Када постоје хармоници у систему напајања са кондензаторима, хармонијска резонанца може оштетити кондензаторе или друге компоненте у систему напајања. Додатно, хармоници се обично појављују као компоненте реактивне снаге – тј. више хармоника = мањи фактор снаге

Понекад, ако покушавате да побољшате фактор снаге, резултат може бити хармонијска резонанца (негативан резултат). Понекад, ако покушавате да смањите хармонике који теку у систему напајања, можете заправо побољшати фактор снаге (позитиван резултат). Мора се водити рачуна да се разуме сложен однос између кондензатора и хармоника [4].

Избегавање хармоничне резонанце

Да бисте избегли хармонијску резонанцију, ипак коригујте фактор снаге, доступне су две опције:

1. Примените други метод компензације квар да бисте исправили фактор снаге. Друга хармонска решења која ће надокнадити фундаментална (50 или 60 Хз) реактивне струје укључују; хармонијски филтери, активни филтери и серијски филтери широкопојасног погона. Додатно, већина данашњих драјвова који користе диодно исправљачко коло на предњем крају имају релативно висок фактор снаге, тако да покрећу рјешења са другим рјешењима за ублажавање хармоника (реакторима, 18 пулс, померање фазе, итд) имају тенденцију да побољшају фактор снаге. Додатно, синхрони кондензатори могу обезбедити корекцију фактора снаге и избећи хармонијску резонанцију.
2. Промените величину кондензаторске банке да бисте прекомерно или премало компензовали потребни квар и живели са гранама. Морате водити рачуна да овај метод не изазове друге проблеме (посебно проблеми пренапона ако се ради прекомерна компензација).

Тачан избор заиста зависи од ситуације. Ако би хармонијско решење могло да ублажи казну фактора снаге и смањи укупне хармонике система, можда је ово ваш најбољи избор. Иначе, једноставна промена величине кондензатора је обично најјефтиније решење све док су пренапон који настаје услед прекомерне компензације или фактор снаге трансформаторска казна која је последица недовољне компензације прихватљиви.

Решења ниског напона наспрам средњег напона

Један важан фактор за примену кондензатора или хармонских решења за корекцију фактора снаге је да ли решење треба применити на ниском напону (НН) или средњег напона (МВ) ниво. Ако је казна фактора снаге једина брига, средњенапонско решење је типично најекономичнији избор за веће банке (типично > 1500 кВА). Додатно, хармонијску резонанцију је често лакше избећи на МВ нивоу, што значи да се могу применити равни кондензатори. Међутим, за вишестепене банке, МВ пребацивање додаје значајне трошкове и стога, банке у МВ обично имају веће укључене или фиксне степене.

Ако је побољшање капацитета система или побољшање ефикасности кВ значајна брига, онда је примена НН решења увек најекономичнији избор. Додатно, за мање потребе за кваром, ЛВ банке су скоро увек најекономичније решење.

КАКО ВАМ СМАЊЕЊЕ ХАРМОНИКА УШТЕДИ НОВАЦ?

Исправљање хармонијског проблема може уштедети новац на очигледне начине ако је проблем довео до физичког оштећења опреме или погрешног рада опреме. Ублажавање ових проблема показује тренутну исплату ако су штета или трошкови повезани са погрешним радом већи од цене решења. Други суптилни, али понекад значајни проблеми настају као резултат хармоничних струја које теку кроз систем напајања и искривљују напон. Ова питања се првенствено односе на трошкове повезане са смањеном ефикасношћу опреме електроенергетског система која ради на фреквенцијама које нису 50 или 60 Хз за који су пројектовани.

У наставку су наведени неки начини на које вас хармоници могу коштати новца, а да тога нисте свесни.

1. Трансформерс, мотори, генератори, каблови и УПС системи су често претерано пројектовани када су присутни хармоници и трошкови повезани са овим прекомерним дизајном су или могу бити значајни.

Размотрите следећи пример.

Ако је резервни генератор димензионисан за кВ или кВА оптерећења и снабдева струјом хармонијска оптерећења, резултујућа дисторзија напона ће бити знатно већа него када се иста оптерећења напајају из извора комуналне услуге (трансформатор). Слика 15 показује разлику између изобличења напона када је извор помоћни у односу на резервни генератор. Имајте на уму да генератор обично има најмање три пута већу импедансу од трансформатора, што узрокује знатно више изобличења. Из тог разлога, генератори су често предимензионирани да „подносе“ струјну дисторзију повећавајући цену производње по кВ оптерећења.

2. кВ губици у кабловима, трансформатор, генератори и мотори су значајни када се узме у обзир да је средњи квадрат (РМС) струја може бити типично 10-40% виши са присуством хармоника него што би био са тхе 50 или 60 Хз струја ради "посао". Смањење хармонијске струје код низводних оптерећења (коришћењем филтера за блокирање на колу са значајним оптерећењем 3. хармоника, на пример) може смањити системске губитке 3-8%. Уштеде повезане са овим смањењем губитака обично се могу исплатити за решење у разумном временском периоду.

3. Ако напон система постане изобличен као резултат значајних хармонијских оптерећења, и присутна је значајна количина напона „негативног низа“. (5тх хармониц, на пример), мотори ће повући струју 5. хармоника. Ова струја производи обрнути и пулсирајући обртни момент који се супротставља жељеном правцу мотора који мотор мора да савлада да би обавио свој тражени посао.

Константна борба против овог обртног момента чини мотор врућим и веома неефикасним. Доћи ће до превремених кварова мотора и значајних губитака. У овом случају, изобличење напона треба исправити, али можда неће одмах бити очигледно да проблем уопште постоји.

4. Низак фактор снаге као резултат хармонијских струја може допринети смањењу фактора снаге од стране предузећа. У зависности од начина обрачуна који користи комуналија, укупни фактор снаге (укључујући хармонике) или фактор снаге померања (само основни напон и струја) може довести до значајне разлике у фактору снаге на вашем рачуну. Као што је раније наведено, значајно хармонијско изобличење ће често резултирати ниским укупним фактором снаге, а резултат може бити казна фактора снаге наметнута комуналним предузећима данас или у будућности.
ВТХД = 2.3% ВТХД = 5.8%
Утилити Соурце Генератор Соурце

ПРИСТУП ЈЕДНОГ ОПТЕРЕЋЕЊА У СВИМА СИСТЕМА ЗА ХАРМОНИЧКА РЕШЕЊА

Одлука да се једно хармонично решење примени на друго је обично економска, али такође у великој мери зависи од ефикасности решења. Табела 2 показује „општу” делотворност различитих хармонских решења. За свако решење је приказан резултујући типичан ИТХД. На пример, линијски реактор је свакако много јефтинији од активног филтера, али типичан линијски реактор ће само смањити струјне хармонике на приближно 35% док ће активни филтер смањити тренутно изобличење на мање од 5% обезбеђујући да ће хармонијски проблеми највероватније бити елиминисани.

Слика 16(a) и 16(б) демонстрирати цену различитих хармонских решења за једно оптерећење у односу на системски приступ. Слика 16(ц) показује да када се трошковима погона додају трошкови разних решења, цене решења су много упоредивије и ефективност сваког решења постаје кључни критеријум одлуке.

Резиме

Табеле 2 и 3 сумирати хармонијска решења о којима се говори у овом раду. Табела 2 дефинише решења са освртом на тип опреме за корекцију хармоника и табелу 3 описује решења у односу на типове оптерећења. Табеле указују на најзначајније предности и недостатке сваке технологије. Детаљи о осталим предностима и недостацима сваког решења приказани су у главном делу овог рада.

Одлука о примени хармонских решења на НН или СН и да ли то решење треба применити на појединачно оптерећење или као „системско“ решење, зависи од економичности ситуације као и од ефикасности решења(с). Свако решење има заслуге у различитим околностима. Избор правог решења захтева искуство са сваким типом технологије како би се осигурало да је то најбоље техничко и економско решење за примену.

Референце

1. Д. Ј. Царновале, „Примена хармоничних решења на комерцијалне и индустријске енергетске системе.“ Глобалцон, 2003, Бостон, МА.
2. ЕЕЕ стандард 1100-1999 – ИЕЕЕ препоручена пракса за напајање и уземљење електронске опреме (Емералд књига)
3. ИЕЕЕ стандард 519-1992 – ИЕЕЕ препоручене праксе и захтеви за хармонику
   Контрола у електроенергетским системима
4. Д. Ј. Царновале, „Корекција фактора снаге и хармонијска резонанца: А Волатиле Мик,” ЕЦ&М
   Магазине, Јун, 2003.
5. Т. Кључ и Ј. Да, „Цена и корист од смањења хармоничне струје за напајање прекидача у комерцијалној пословној згради,” у ИЕЕЕ Трансацтионс он Индустри Апплицатионс, Лет. 32, Не 5, септембар/октобар 1996.
6. Ј. К. Пиел и Д. Ј. Царновале, „Економске и електричне предности метода смањења хармоника у комерцијалним објектима.“ ЕПРИ ПКА 2003, Монтереи, ЦА
7. ИЕЕЕ П519А – Нацрт 7. Радна група за хармонике – „Препоручене праксе и водич за примену ограничења хармоника на системе напајања“,