Distorção harmônica em Discos

Variável-freqüência-drive- (VFD-) harmônicos gerados em grande parte, é uma percepção, vez que real, questão. Em 27 anos de aplicação ACV em HVAC e outras aplicações, este autor experimentou apenas um punhado de problemas harmônicos reais, com todos, mas uma resultante de altos níveis de distorção de tensão, não a distorção atual que vem recebendo tanta atenção ultimamente.

A maioria dos problemas VFD-interferência este autor tem encontrado ter sido o resultado de uma má instalação - em particular, pobre fiação e aterramento. Na maioria dos casos, interferência de rádio-freqüência (RFI) ou interferência eletromagnética (EMI), não harmônicos, era o culpado. Questões RFI / EMI decorrem de ruído na faixa de 50 Khz para menor megahertz, não o de 300 Hz sétima faixa quinto ou 420 Hz harmônica.

HISTÓRIA

Em 1981, ANSI / IEEE 519, Guia IEEE para Controle de Harmônicos e Compensação Reativa de estáticos Conversores de Potência, foi publicado. Ele incluiu máximo de distorção harmônica total de tensão (THDEm) recomendações.

No extremo, distorção de tensão pode causar-cobertura plana de formas de onda de tensão do sistema de energia (Figura 1), o que pode causar processadores eletrônicos sensíveis para tornar-se confuso e mal funcionamento.

Em 1992, ANSI / IEEE 519 foi revisto. Renomeado Práticas IEEE recomendados e Requisitos para Controle de Harmônicos em Sistemas Elétricos de Potência, agora se concentra mais na distorção harmônica total de (THD1) de distorção de tensão.

THD1 pode se propagar através de transformadores step-down/step-up utilidade e fazer o seu caminho a partir de uma unidade para outra. Por exemplo, há vários anos, um fabricante VFD estava criando grandes quantidades de distorção de corrente durante a operação de teste burn-in. A distorção atual viajou através dos transformadores de serviços públicos na fábrica do fabricante do CSC para a alimentação de utilidade em uma gráfica vizinha, corrompendo os circuitos lógicos nos controles e de corrente contínua (DC) unidades que funcionam imprensa da planta impressão e fazendo com que o registro de impressão de imprensa para o mau funcionamento.

THD1 resulta em calor adicional nos transformadores de distribuição tipicamente prestados por concessionárias, bem como os cabos de alimentação-de alimentação do equipamento a partir do qual se origina. Basicamente, THD1 é corrente que tem uma utilidade para gerar e fonte para uma instalação, mas que não traz receita para a concessionária. Embora seja um problema real para utilitários, THDI em grande parte é um problema percebido a partir do ponto de vista de um gerente da unidade.

ANSI / IEEE 519-1992 aborda a natureza do sistema-edição de THD1 através da introdução de distorção total de demanda (TDD), o qual pode ser calculado como se segue:

onde:

Euele = Corrente harmônica total, medida pelo sistema

Euhc = Corrente harmônica total contribuído por VFDs

EuO = Corrente de demanda de carga máxima (componente de freqüência fundamental) (15- ou 30 min demanda) no ponto de utilidade de acoplamento comum (PCC) como medido no sistema

EuC = Componente da freqüência fundamental contribuído por ACV (incluído somente se ACV são uma adição às cargas existentes)

(Todas as quantidades estão em amperes root mean square.)

ANSI / IEEE 519-1992 estados, "Dentro de uma planta industrial, o PCC é o ponto entre a carga não-linear e outras cargas. "Muitos engenheiros de consultoria têm interpretado isto para dizer que THD1 deve ser medida em conexões de entrada de energia VFD (PCC2, em vez de PCC1, na figura 2). Esta má aplicação da norma ANSI / IEEE 519-1992 tem contribuído para o uso excessivo de unidades multipulsos na indústria de HVAC. Muitos milhões de instalação de equipamentos de dólares foram desperdiçados através da especificação e instalação de 12- e discos de 18 pulsos em edifícios de escritórios comerciais e outros ambientes em que uma unidade de seis pulsos padrão teria feito o mesmo trabalho para o custo substancialmente menor inicial.

Também é lamentável o fato de ANSI / IEEE 519-1992 tem cinco níveis diferentes de máximo aceitável TDD, que depende da proporção de corrente de curto-circuito (EuSC) a máxima IO em um PCC. A ISC-to-IO proporções na Tabela 1 são funções da força de alimentação de um utilitário para uma instalação e a dimensão do transformador subestação.

SITUAÇÃO ACTUAL

Muitas especificações simplesmente afirmar, "ACV reúne ANSI / IEEE Standard 519". Tal afirmação não tem sentido sem as informações necessárias para realizar cálculos harmônicas:

  • Transformer quilovolts-ampères e cento impedância.
  • Linear total amperagem de carga conectado ou amperagem total de linear conectado esperado.
  • O número e tamanho de ACV.
  • Utilitário ISC disponível.

Os cálculos são ainda mais preciso quando os fabricantes têm informações adicionais, como corrente total facilidade, conteúdo harmônico existente, e tamanhos de fios e comprimentos.

Alguns engenheiros tomaram a escrever especificações de hardware com base em requisitos de tamanho cavalos de potência. Por exemplo: "Todos os VFDs 100 hp e até deve ser projetos de 18 pulsos. "No 100 hp, uma unidade de 18 pulsos facilmente podem custar quatro vezes mais do que uma unidade de seis pulsos com nenhuma melhoria na economia de energia.

Isso não quer dizer que não existem aplicações para que um 12- ou uma unidade de 18 pulsos é apropriado. Tomar, por exemplo, uma estação de bomba de concreto em um bairro residencial. Este autor observou aquele em que havia três ACV 300 cv, iluminação fluorescente sobrecarga, e um controlador lógico programável de parede (PLC). A estação de bomba foi alimentado por um 480-v transformador dedicado. Praticamente toda a carga no transformador não era linear. A carga não-linear VFD representou aproximadamente 1,100 amps. As cargas PLC e fluorescente de luz atingiu um par de amplificadores. Essa foi uma aplicação ideal para 18 pulsos ou outra tecnologia VFD ultralow harmônico.

Em um edifício de escritórios comerciais, se ACV são instalados em cada ventilador e bomba, eles normalmente usam menos de 20 por cento da carga de consumo eléctrico. Em quase todos os casos, unidades de seis pulsos normais são uma boa escolha.

Contrariamente à crença popular, ANSI / IEEE 519 não é uma lei ou regulamentação governamental / utilitário; é uma "prática recomendada". Afirma que a estrita observância dos limites recomendados harmônicas "não será sempre evitar problemas surjam." O contrário também é verdadeiro: Uma instalação pode ter harmônicos em excesso de limites recomendados máximas da norma e não ter dificuldades.

TECNOLOGIAS

O método mais simples e menos caro de mitigar harmônicos gerados pelo CSC é a adição de impedância em um VFD. Isto pode ser conseguido com um reactor de linha de entrada (Figura 3) ou um link reator DC (ônibus choke) (Figura 4). Em um sistema de 1 por cento-source-impedância, um reator de linha de 3 por cento pode reduzir o conteúdo harmônico de corrente na entrada de um VFD para cerca de 40 por cento na saída de plena carga.

O próximo-mais-comum tipo de tecnologia harmônica-mitigação é a CSC de 12 pulsos (Figura 5). A 12 pulsos VFD reduz o conteúdo harmônico de corrente para cerca de 10 por cento.

Também são comuns as de banda larga e filtros passivos (Figura 6). Estes filtros híbridos reduzir conteúdo harmônico de corrente de aproximadamente 7 por cento.

A tecnologia de próxima mais eficaz é a unidade de 18 pulsos (Figura 7), que normalmente apresenta cerca de 5 por cento de distorção de corrente nas entradas VFD. Comparado com um CSC sem impedância, redução harmónica total está no intervalo de 93 por cento.

Relativamente as novas tecnologias são o filtro harmônico ativo (Figura 8) eo VFD ativo-front-end (Figura 9). Um único filtro ativo pode filtrar os harmônicos de vários ACV ou uma instalação inteira. Entrementes, o conteúdo THDI de VFD com um front-end ativo - medida na entrada VFD - geralmente é menor do que 4 por cento, enquanto a redução total harmônico-corrente conteúdo é 95 por cento.

Mesa 2 lista a distorção de corrente esperado, por cento de redução atual de distorção, e custo relativo das diversas tecnologias de redução de harmônicas. As estimativas são baseadas em um sistema de 1 por cento-source-impedância e uma oferta perfeitamente equilibrado tensão.

Tudo baseado em hardware, "força bruta" métodos de redução de harmônicos são afetados negativamente por desequilíbrios de tensão de energia do sistema de entrada. A maioria dos fabricantes de CSC têm programas de computador que podem ser usados ​​para estimar a distorção harmônica de ACV.

Quanto maior a carga de base em um transformador da subestação, menor a distorção de corrente em um PCC. Porque distorção harmônica de corrente provoca aquecimento transformador adicional, utilitários transformadores de subestações, muitas vezes de grandes dimensões em relação ao carregamento esperado de uma instalação. Como resultado, ter a carga máxima transformador correto (estimar ou determinar) é vital. Caso contrário, maximum transformer IO Deve ser assumido.

A Dirty Little Secret

A maioria dos programas de análise harmônica assumir o poder está disponível uma tensão equilibrada - por exemplo, 480 v cada na Fase A, Fase B, e Fase C. No mundo real, contudo, não importa quão bem concebido um sistema de distribuição edifício é, equilíbrio perfeito é inalcançável. O melhor que se pode esperar é um ligeiro desequilíbrio, tal como 478:480:482 em. A maioria dos utilitários permitem desequilíbrios poder tensão de até 3 por cento.

Muitos anos atrás, em uma grande universidade no Centro-Oeste, as ACV fornecidos em um projeto de retrofit de poupança de energia estavam sendo acusada de edifícios que excedem os níveis de distorção recomendados na norma ANSI / IEEE 519. Análise harmônica mostrou o conteúdo de terceira harmônica substancial. Em um mundo perfeito, ACV não criam terceiros harmônicos, um terceiro e outros harmônicas cancelar por causa da natureza de três fases de Inverssores. Se, contudo, a relação de tensão entre as fases A, B, e C é desequilibrada, cancelamento não pode ocorrer completamente, e ACV pode criar harmônicas. Neste caso, Fase A foi de aproximadamente 450 em, enquanto as fases B e C estavam perto 480 em. A universidade foi convidado a mover cargas para obter a tensão de entrada para uma condição mais equilibrada. Uma vez que isso foi feito, as ACV parado causando níveis elevados de distorção harmônica.

Em meados da década de 1990, o Centro de Aplicações de Eletrônica de Potência, uma subsidiária do Instituto de Pesquisa de Energia Elétrica, testadas as unidades de 17 manufacturers.1 Um desequilíbrio de tensão de 0,2 por cento, para os terminais de entrada de um VFD sem reator de linha de entrada ou DC-bus estrangulamento foi encontrado para causar até um desequilíbrio actual de 17 por cento.

Com um desequilibrado sistema de entrada de energia, todas as tecnologias de mitigação de harmônicas baseadas em hardware estão sujeitos a efeitos harmônico-estorno prejudiciais. Por exemplo, um transformador de mudança de fase de 12 pulsos tem três terminais de entrada e seis condutores de saída e dois componentes: um conjunto de enrolamento delta / delta e um conjunto de enrolamento estrela-triângulo (Figura 10). Esta configuração faz com que uma mudança de 30 graus de fase eléctrica, no poder ser alimentada para uma das duas pontes de diodo da unidade, causando, em um mundo perfeito, harmônicos quinto e sétimo a ser cancelados. Se a energia de entrada é desequilibrada, contudo, cancelamento não ocorra completamente.

Alguns fabricantes de CSC fornecer unidades de 18 pulsos com uma impedância reactor adicional de 5 por cento em frente do autotransformador. Isso ajuda a equilibrar o consumo de corrente em três conjuntos do transformador auto de enrolamentos e ajuda a minimizar os efeitos das alimentações de tensão desequilibrada e fonte.

ASSIM NÃO É UM MUNDO PERFEITO - O QUE EMPRESA?

O meio mais eficaz de obter harmônicos ultrabaixo nas entradas CSC é um filtro ativo ou um front-end ativo. Um filtro ativo funciona como um fone de ouvido de redução de ruído ativo. Se, por exemplo, ele detecta a 30 amp quinto harmônico na Fase A de uma fonte de alimentação, ele injeta 30-amp quinto harmônico 180 graus fora de fase com a harmônica criada pelo VFD, criando um efeito de cancelamento. Esta tecnologia é menos suscetível a desequilíbrios de entrada tensão porque mede e injeta conteúdo harmônico corretiva automaticamente.

Alguns fabricantes fazem tecnologias CSC ultralow-harmônicas. Um VFD ultralow harmônico tem seis isolados-gate transistores bipolares (IGBTs), em vez de componentes de ponte de diodo passiva, em sua seção conversor (Figura 11). Esses IGBTs controlar a corrente harmônica desenhada por um VFD. Com nenhuma corrente harmônica desenhado, nenhum cancelamento é necessária. Tecnologia Ultralow harmônico tipicamente reduz entrada de correntes harmônicas para 4 por cento ou menos em uma entrada de VFD (Mesa 2).

Em um teste, um desequilíbrio de tensão de 3 por cento sobre a entrada de um transformador de 18 pulsos / drive causou um aumento da distorção atual de 1,5 por cento por unidade. Assim, se o computador estimativa harmônico-análise foi 4 por cento, THDI real teria sido 5.5 por cento.

Com um sistema de ultrabaixo harmônico ou ativo-filtro, um desequilíbrio de tensão de 3 por cento aumenta a distorção harmônica de corrente por menos de 0.5 por cento por unidade.

CONCLUSÃO

A análise harmônica deve ser realizada antes de um projeto é finalizado. A análise deve ser realizada no PCC para determinar distorção de corrente na entrada principal do serviço de utilidade a um prédio. Especificações baseadas em hardware que ditam que todas as unidades de uma certa potência correspondem a uma determinada tecnologia não deve ser utilizado.

REFERÊNCIA

1) Mansoor, A., Phipps, K., & Ferro, R. (1996). Pesquisa de compatibilidade do sistema: Cinco cavalos de potência PWM unidades de velocidade ajustável. Knoxville, TN: Aplicações Eletrônica de Potência Centro.

Para passado HPAC Engenharia artigos de fundo, visita www.hpac.com.

O gerente de aplicações HVAC para ABB Inc. Poder & Vendas de Controle, Michael R. Olson tem uma vasta experiência no HVAC, água / esgoto tratos, e indústrias químicas. Ele tem escrito numerosos artigos trade-jornal discutindo a aplicação de drives de velocidade ajustável e foi um editor contribuindo para vários livros sobre o assunto. Ele tem um grau de bacharel em engenharia elétrica pela Universidade de Illinois e um mestrado em gestão de engenharia pela Escola de Engenharia de Milwaukee. Ele é membro da American Society of Heating, Refrigeração e Ar Condicionado Engenheiros e BACnet Internacional. Ele pode ser contatado em mike.olson @ us.abb.com.