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. Take the time to learn about harmonics and how power systems and equipment are actually affected and you’ll save yourself a lot of trouble and certainly a lot of money!

Once you have identified that you indeed have a power quality issue related to harmonics, consider this – there are at least ten ways to solve your problem. Which one is right for you and will be the most cost effective solution and which one will clearly relieve the problems that you are experiencing? The economic discussion (choosing which solution is least “најбоље”) requires very detailed analysis and this paper will provide guidelines to assist in making that decision. Додатно, selecting a harmonic solution is not always an economic decision in every case. 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, the specifying engineer will cover any potential problems before they occur but will significantly increase the cost of the job. A more practical approach is recommended. That being said, the cost of corrective equipment after the fact is typically higher so the required limitations should be considered and some concessions should be made to both fulfill the IEEE requirements while implementing a practical solution.

Voltage or current harmonics?

Another statement related to IEEE 519 that often causes significant controversy is the following:

The selected firm is to design and implement remedies that would reduce the total harmonic distortion on the secondary side of the main service transformer to less than 5%.

The question in this case is – voltage or current harmonics? The main concern of the standard is voltage distortion. In some cases where the ISC/IL is low (ИУ. the loading is a high percentage of the system capacity), the current distortion limit is 5% (but merely to minimize the voltage distortion). The IEEE 519 Standard clearly states that harmonic currents should be reduced to minimize voltage distortion. Harmonic currents should also be reduced to minimize loading on the system but even the maximum allowable (20%) distortion will only increase the total root-mean-square (РМС) current by approximately 2%.

Point of common Coupling (ПЦЦ)

By the Standard, the PCC is where other utility customers can be served and is not necessarily the secondary of the main service transformer and is certainly not a downstream panelboard, MCC, feeder or load. Note that sometimes in utility contracts, 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
• Can provide moderate reduction in voltage and current harmonics
• Available in various values of percent impedance
• Provides increased input protection for AFD and its semiconductors from line transients

Disadvantages

• May require separate mounting or larger AFD enclosure
• May not reduce harmonic levels to below IEEE519 1992 смернице

K-Factor and Drive Isolation Transformers

Ундервритерс Лабораториес (UL) and transformer manufacturers established a rating method, the KFactor, for dry-type transformers to evaluate their suitability for duty in a harmonic environment. The K-factor relates the transformer capability to supply varying degrees of nonlinear load without exceeding the rated temperature rise limits of the transformer. The K-factor is based upon predicted losses as specified in the simplified method of IEEE Std C57.110-1986, IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability When Supplying Non-sinusoidal Load Currents (АНСИ). The limiting factor related to overheating is again assumed to be eddy current losses in the windings.

K-factor rated transformers offer no means to reduce the magnitudes of harmonic current (except that they offer line reactance – see Line Reactors). But the Kfactor method allows the engineer to choose a dry type transformer that can withstand the harmonic duty without damage or loss of performance. Standard K-factor ratings are 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
• Provides increased input protection for AFD and its semiconductors from line transients
• Може се користити у комбинацији са линијским пригушницама и трансформаторима за поништавање хармоника.

Disadvantages

• 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, so in terms of meeting IEEE guidelines, the DC choke and line reactor are similar. If a DC choke (or line reactor) is applied on all AFDs, могуће је испунити ИЕЕЕ смернице где до 15% до 40% оптерећења система су АФД, depending on the stiffness of the line, the amount of linear loads and the value of choke inductance.

Предности

• Packaged integrally to the AFD
• Can provide moderate reduction in voltage and current harmonics
• Less voltage drop than an equivalent line reactor

Disadvantages

• Less protection than other methods for the AFD input semiconductors
• May not reduce harmonic levels to below IEEE Std 519-1992 смернице
• DC Choke Impedance is typically fixed by design (not field selectable)
• Not available as an option for many AFDs.

12-Pulse Converters

A 12 Pulse Converter incorporates two separate AFD input semiconductor bridges, which are fed from 30 degree phase shifted power sources with identical impedance. 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
• Provides increased input protection for AFD and its semiconductors from line transients

Disadvantages

• 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, although as the load on a single AFD decreases, the individual distortion contribution percentage decreases, resulting in less of a need for cancellation. It is possible for a facility with a large number of AFDs to feed two halves of the distribution from phase shifted transformers, yielding a large reduction in harmonic levels for minimal cost, and allowing a higher percentage of AFD loads under IEEE Std 519-1992 смернице.

Multiple transformers can be used to develop different phase shifts between sources of harmonic currents. На пример, two transformers with a 60 Hz phase shift of 30 degrees between them will result in cancellation of the 5th , 7ог , 17ог , and 19th, итд. harmonics and will resemble 12 pulse drive system.

Four transformers shifted by 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
• Provides increased input protection for AFD and its semiconductors from line transients

Disadvantages

• 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
• May not reduce harmonic levels to below IEEE Std 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, a switched harmonic filter (in steps of 50 лево, на пример) can be used to regulate the amount of 60 Hz and filtering required by dynamically changing loads.

These filters are installed in a shunt arrangement on the line side of the AFD or on a common bus for multiple drive loads. The tuned filter is a short circuit or very low impedance at the “tuned” frequency. For drive loads, tuned filters are tuned somewhat below the 5th harmonic, which is the largest component of harmonic distortion. The filter will also absorb some 7th harmonic current. A 7th harmonic filter or additional filters tuned to higher order harmonics may also be used. More care is needed with the application of tuned harmonic filters than with other methods. 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

Disadvantages

• Већа цена
• Одвојени монтажни и заштитни уређај (прекидач/осигурач) потребан
• May not reduce harmonic levels to below IEEE Std 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
• Provides increased input protection for AFD and its semiconductors from line transients
• Пружа додатну заштиту за АФД улазну струјну секцију
• Обезбеђује корекцију фактора снаге система
• Типични филтери за блокирање симулирају 12/18 хармонике импулсног погона

Disadvantages

• Висока цена
• Потребна је посебна монтажа
• Захтева један филтер по драјву
• May not reduce harmonic levels to below IEEE Std 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
• Provides increased input protection for AFD and its semiconductors from line transients
• До 4 пута хармонијску редукцију од 12 пулсне методе
• Мањи трансформатор од изолационог трансформатора који се користи у 12-пулсном претварачу

Disadvantages

• 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

Disadvantages

• 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

Disadvantages

• 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.

Disadvantages

• 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. These methods involve either increasing the harmonic capacity of the power system components or de-rating the components to accommodate the harmonic currents.

One method of de-rating the power system components is to double the size of the neutral
conductor. This involves increasing the neutral conductor size to twice the size of the phase
conductor in any circuits where a “shared neutral” is used. This includes panelboards and shared neutral circuits such as are found in cubicle subcircuits in office buildings, на пример. Данас, for many installations every circuit includes a phase conductor and its own neutral conductor.

Дакле, the only truly “shared” neutral is in the panelboard and on the transformer. Међутим, for existing facilities, this is definitely not the case. 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, if a transformer is supplying primarily nonlinear loads and the transformer is not a K-rated transformer or otherwise transformers designed to handle harmonics, the transformer should be de-rated according to the IEEE Emerald Book recommendation in Figure 14.

Предности

• Generally, these are the least expensive methods of dealing with harmonic currents on
the power system assuming that the system and other loads can deal with the excessive
current and/or voltage distortion. Since most transformers are not typically loaded to their
kVA rating (typical transformer loading is in the range of 30-40%), de-rating is often the
most reasonable and least expensive solution.

Disadvantages

• 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, harmonics typically appear as reactive power components – i.e. more harmonics = lower power factor

Понекад, if you are trying to improve the power factor, the result may be harmonic resonance (a negative result). Понекад, if you are trying to reduce the harmonics flowing in the power system, you may actually improve the power factor (a positive result). Care must be taken to understand the complex relationship between capacitors and harmonics [4].

Avoiding Harmonic Resonance

In order to avoid harmonic resonance yet correct the power factor, two options are available:

1. Apply another method of kvar compensation to correct the power factor. Other harmonic solutions that will compensate for the fundamental (50 или 60 Хз) reactive current include; хармонијски филтери, active filters and series broadband drive filters. 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, the banks at MV typically have larger switched or fixed stages.

If improving system capacity or improving kW efficiency are significant concerns, then applying LV solutions is always the most economic choice. Додатно, for smaller kvar requirements, LV banks are almost always the most economic solution.

HOW CAN REDUCING HARMONICS SAVE YOU MONEY?

Correcting a harmonic problem can save money in obvious ways if the problem resulted in physical damage to equipment or misoperation of equipment. Alleviating these issues show an immediate payback if the damage or the cost associated with the misoperation are more substantial than the cost of the solution. Other subtle but sometimes significant issues arise as a result of harmonic currents flowing throughout the power system distorting the voltage. 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 shows the “general” effectiveness of various harmonic solutions. For each solution the resulting typical ITHD is shown. На пример, a line reactor is certainly much less expensive than an active filter but a typical line reactor will only reduce the current harmonics to approximately 35% while an active filter will reduce the current distortion to less than 5% ensuring that harmonic problems will most likely be eliminated.

Слика 16(a) и 16(б) demonstrate the cost of various harmonic solutions for a single load versus a systems approach. Слика 16(ц) shows that when the cost of a drive is added to the cost of various solutions, the cost of the solutions are much more comparable and the effectiveness of each solution becomes the key decision criteria.

Резиме

Табеле 2 и 3 summarize the harmonic solutions discussed in this paper. 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. Selecting the right solution requires experience with each type of technology to insure that it is the best technical and economic solution for the application.

Референце

1. Д. Ј. Царновале, “Applying Harmonic Solutions to Commercial and Industrial Power Systems.” Globalcon, 2003, Boston, MA.
2. EEE Standard 1100-1999 – IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment (Емералд књига)
3. IEEE Standard 519-1992 – IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic
   Control in Electrical Power Systems
4. Д. Ј. Царновале, “Power Factor Correction and Harmonic Resonance: A Volatile Mix,” EC&М
   Magazine, Јун, 2003.
5. Т. Кључ и Ј. Да, “Cost and Benefit of Harmonic Current Reduction for Switch-Mode Power Supplies in a Commercial Office Building,” in IEEE Transactions on Industry Applications, Лет. 32, Не 5, September/October 1996.
6. Ј. К. Piel and D. 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“,