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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.

Problemas de Qualidade de Energia e Novas Soluções (Papel ICREPQ)

Autor: A. de Almeida, O. Moreira. J. Fino

ISR - Departamento de Elétrica e de Computação da Universidade de Engenharia de Coimbra, Pólo II 3030-290 Coimbra (Portugal) telefone: +351 239 796 218, fax: +351 239 406 672 e-mail: adealmeida@isr.uc.pt, licinio@isr.uc.pt, Jdelgado@elect.estv.ipv.pt.

Abstrato: Neste artigo, o principal de Qualidade de Energia (PQ) problemas são apresentados com suas causas e conseqüências associadas. Os impactos econômicos associados PQ são caracterizadas. Finalmente, algumas soluções para mitigar os problemas de qualidade de energia são apresentados.

Palavras-chave

Qualidade da Energia Elétrica, Problemas de qualidade de energia, Custos da Qualidade de Energia, Qualidade soluções de energia.

1. Introdução

Qualidade da Energia Elétrica (PQ) questões relacionadas são de maior preocupação nos dias de hoje. O uso generalizado de equipamentos eletrônicos, tais como equipamentos de tecnologia da informação, eletrônica de potência, tais como unidades de velocidade ajustável (ASD), controladores lógicos programáveis (PLC), iluminação com eficiência energética, levou a uma mudança completa de cargas elétricas natureza. Estas cargas são simultaneamente os principais causadores e as maiores vítimas de problemas de qualidade de energia. Devido à sua não linearidade, todas essas cargas causar distúrbios na forma de onda de tensão.

Junto com tecnologia avançada, a organização da economia mundial evoluiu para a globalização e as margens de lucro de muitas atividades tendem a diminuir. O aumento da sensibilidade de a grande maioria dos processos (industrial, serviços e até mesmo residencial) para a PQ problemas transforma a disponibilidade de energia elétrica com qualidade um fator crucial para a competitividade em todos os setores de atividade. As áreas mais críticas são a indústria de processo contínuo e os serviços de tecnologia da informação. Quando ocorre uma perturbação, enormes prejuízos financeiros pode acontecer, com a consequente perda de produtividade e competitividade.

Apesar de muitos esforços têm sido tomadas por utilitários, alguns consumidores exigem um nível de PQ maior do que o nível previsto pelas redes elétricas modernas. Isto implica que devem ser tomadas algumas medidas a fim de alcançar níveis mais elevados de qualidade de energia.

2. Tipos de Problemas de Qualidade de Energia

Os tipos mais comuns de problemas de qualidade de energia são apresentados na Tabela I.

3. Caracterização da Qualidade de Energia

Mesmo os sistemas de transmissão e de distribuição mais avançados não são capazes de fornecer energia elétrica com o nível desejado de confiabilidade para o bom funcionamento das cargas na sociedade moderna. Modern T&D (transmissão e distribuição) sistemas são projetados para 99,9 para 99,99% disponibilidade. Este valor é altamente dependente do nível de redundância da rede, que é diferente de acordo com a localização geográfica e do nível de tensão (disponibilidade é maior na rede de alta tensão). Em alguns locais remotos, disponibilidade de t&Sistemas de D pode ser tão baixa quanto 99%. Mesmo com um 99,99% nível, há um tempo de interrupção equivalente de 52 minutos por ano.

Os processos mais exigentes na economia digital moderna precisa de energia elétrica com 99.9999999% disponibilidade (9-confiabilidade noves) para funcionar corretamente.

Entre 1992 e 1997, EPRI realizou um estudo em que os EUA caracterizar a duração média de distúrbios. O resultado de um site típico, durante o período de 6 anos é apresentado a seguir.

Power Quality Problems and New Solutions_img_0Figo. 1 - Distribuição típica de distúrbios PQ pela sua duração para uma instalação típica de 6 anos (1992-97) em os EUA [2].

Tabela I - problemas de qualidade de energia mais comum [ 1], [4]

1. Afundamento de tensão (ou mergulho) Descrição: A diminuição do nível normal de tensão entre 10 e 90% da tensão rms nominal na freqüência de alimentação, por períodos de 0,5 ciclo de 1 minuto.Causas: Falhas na rede de transmissão ou distribuição (na maioria das vezes em alimentadores paralelos). Falhas na instalação do consumidor. Conexão de cargas pesadas e start-up de grandes motores.Consequências: Mau funcionamento dos equipamentos de tecnologia da informação, sistemas de controlo baseados em microprocessadores a saber (PCs, PLCs, ASDs, etc) que pode levar a um processo de paralisação. O disparo de contatores e relés eletromecânicos. Desconexão e perda de eficiência em máquinas elétricas girantes.

2. Interrupções muito curtos

 

Descrição: Interrupção total de fornecimento elétrico para duração de poucos milissegundos para um ou dois segundos.Causas: Principalmente devido à abertura e religamento automático de dispositivos de proteção de desmantelar uma seção defeituosa da rede. As principais causas de falhas são falha de isolamento, raios e isoladores flashover.Consequências: O disparo de dispositivos de proteção, perda de informação e mau funcionamento de equipamentos de processamento de dados. Interrupção de equipamentos sensíveis, tal como TEA, PCs, PLCs, se eles não estão preparados para lidar com essa situação.
3. Interrupções longas Descrição: Interrupção total de fornecimento elétrico para duração superior a 1 para 2 segundoCausas: Falha do equipamento no sistema de rede de energia, tempestades e objetos (árvores, carros, etc) linhas ou pólos em greve, fogo, erro humano, má coordenação ou falha de dispositivos de proteção.Consequências: Interrupção de todos os equipamentos.

4. Pico de tensão

 

Descrição: Variação muito rápida do valor de tensão por períodos de um vários microssegundos para alguns milissegundos. Essas variações podem chegar a milhares de volts, mesmo em baixa tensão.Causas: Relâmpago, comutação de linhas ou de capacitores para correção de fator de potência, desconexão de cargas pesadas.Consequências: A destruição dos componentes (componentes especialmente eletrônicos) e de materiais de isolamento, erros de processamento de dados ou perda de dados, interferência eletromagnética.

5. Inchar Tensão

 

Descrição: Aumento momentâneo da tensão, na freqüência de alimentação, fora das tolerâncias normais, com uma duração de mais do que um ciclo e normalmente menos de alguns segundos.Causas: Start / stop de cargas pesadas, fontes de alimentação mal dimensionados, transformadores mal regulados (principalmente durante o horário de pico).Consequências: A perda de dados, cintilação de iluminação e telas, paralisação ou dano de equipamentos sensíveis, se os valores de tensão são demasiado elevados.

6. A distorção harmônica

 

Descrição: Formas de onda de tensão ou corrente assumir forma não-sinusoidal. A forma de onda corresponde à soma das diferentes ondas sinusoidais com diferente amplitude e fase, com frequências que são múltiplos da freqüência do sistema de potência.Causas: Fontes clássicas: máquinas que trabalham acima do joelho da curva de magnetização (saturação magnética), fornos de arco, máquinas de solda, retificadores, e motores de escova DC. As fontes modernas: todas as cargas não-lineares, tais como equipamentos de eletrônica de potência, incluindo ASDs, comutada fontes de alimentação de modo, equipamentos de processamento de dados, iluminação de alta eficiência.Consequências: O aumento da probabilidade de ocorrência de ressonância, sobrecarga neutro em sistemas de três fases, superaquecimento de todos os cabos e equipamentos, perda de eficiência em máquinas eléctricas, interferência eletromagnética com sistemas de comunicação, erros nas medidas ao usar metros média de leitura, desarme de proteções térmicas.

7. Flutuação de tensão

 

Descrição: Oscilação do valor de tensão, modulada em amplitude por um sinal com uma frequência de 0 para 30 Hz.Causas: Fornos de arco, início freqüente / stop de motores elétricos (para elevadores da instância), cargas oscilantes.Consequências: A maioria das conseqüências são comuns a subtensões. A conseqüência mais perceptível é a cintilação de iluminação e telas, dando a impressão de instabilidade da percepção visual.

8. Ruído

 

Descrição: Sobreposição de sinais de alta freqüência na forma de onda da freqüência do sistema de potência.Causas: Interferências electromagnéticas provocadas por ondas hertzianas, tais como microondas, difusão de televisão, e radiação devido a máquinas de solda, fornos de arco, e equipamentos eletrônicos. O aterramento inadequado pode também ser uma causa.Consequências: Distúrbios em equipamentos eletrônicos sensíveis, normalmente não destrutivo. Pode causar perda de dados e erros de processamento de dados.

9. Desequilíbrio de tensão

 

Descrição: A variação de tensão num sistema de três fases, em que as três grandezas de tensão ou as diferenças de ângulo de fase entre eles não são iguais.Causas: Grandes cargas monofásicas (fornos de indução, cargas de tração), distribuição incorreta de todas as cargas monofásicas pelas três fases do sistema (isso pode ser também devido a uma falha).Consequências: Desequilibrado sistemas implicam a existência de uma sequência negativa que é prejudicial a todos cargas trifásicas. As cargas mais afetadas são as máquinas de indução trifásicos.

Como pode ser visto na Fig.. 1., a grande maioria dos distúrbios registrados (sobre 87%) durou menos de 1 segunda e só 12 têm uma duração superior a 1 minuto. É claro que nem todos esses distúrbios causar mau funcionamento de equipamentos, mas muitos tipos de material sensível pode ser afectada.

Outro estudo do EPRI foi realizado, entre 1993 e 1999, , a fim de caracterizar o PQ de Baixa Tensão (LV) redes de distribuição. Este estudo concluiu que 92% de distúrbios no PQ foram quedas de tensão com amplitude cai até 50% e duração menor 2 segundo. Figo. 2 mostra a distribuição típica de quedas em 0.5 segundos e micro-interrupções.

Power Quality Problems and New Solutions_img_1Figo. 2 - Distribuição de ceder e micro-interrupção nas redes de BT nos EUA [3].

A situação nos países desenvolvidos da Europa é muito semelhante ao observado em os EUA. Figo. 3 mostra a caracterização do PQ em uma área industrial do centro de Portugal através do monitoramento da oferta no período de fevereiro de 2002 a janeiro de 2003.

Power Quality Problems and New Solutions_img_2Figo. 3 - Caracterização dos distúrbios de fornecimento de energia elétrica em uma unidade industrial em Portugal.

4. Custos de Problemas de Qualidade de Energia

Os custos de problemas de qualidade de energia são altamente dependentes de vários factores, principalmente a área de negócio da atividade. Outros fatores, como a sensibilidade do equipamento usado
nas instalações e condições de mercado, entre outros, também influenciam os custos de problemas de QE.

A. Custos de Qualidade de Energia Avaliação

Os custos relacionados com a perturbação PQ pode ser dividido em:

  1. Os custos diretos. Os custos que podem ser diretamente atribuídos à perturbação. Estes custos incluem a danos no equipamento, perda de produção, perda de matéria-prima, custos salariais durante o período não-produtivo e custos de reinício. Às vezes, durante o período não-produtivo são alcançados algumas economias, tais como a poupança de energia, que deve ser subtraído aos custos. Alguns distúrbios não implicam paragem de produção, mas pode ter outros custos associados, , tais como a redução da eficiência do equipamento e redução da vida útil do equipamento.
  2. Os custos indirectos. Estes custos são muito difíceis de avaliar. Devido a alguns distúrbios e períodos não produtivos, uma empresa pode não ser capaz de realizar os prazos para algumas entregas e soltos encomendas futuras. Investimentos em prevenção de problemas de qualidade de energia pode ser considerado um custo indireto.
  3. Inconveniente imateriais. Alguns inconvenientes devido à perturbação de energia não pode ser expresso em dinheiro, como não ouvir rádio ou ver televisão. A única maneira de contabilizar esses inconvenientes é estabelecer uma quantidade de dinheiro que o consumidor está disposto a pagar para evitar este inconveniente [4], [5].
B. As estimativas dos custos de Qualidade de Energia

Vários estudos têm sido feitos para avaliar os custos dos problemas de qualidade de energia para os consumidores. A avaliação de um valor exato é quase impossível; Então, todos esses estudos são baseados em estimativas. Alguns destes estudos são apresentados abaixo.

  1. Business Week (1991). PQ custos foram estimados em 26,000 milhão de dólares por ano nos Estados Unidos.
  2. EPRI (1994). Este estudo apontou 400,000 milhões de USD por ano para custos PQ nos Estados Unidos.
  3. Departamento de Energia dos EUA (1995). PQ custos foram estimados em 150,000 milhões de USD por ano para Estados Unidos.
  4. Fortune Magazine (1998). Declarou que os custos PQ estavam em torno de 10,000 milhões de dólares por ano nos Estados Unidos.
  5. E Fonte (2001). Um estudo com indústrias de processo contínuo, serviços financeiros e de processamento de alimentos nos Estados Unidos, estimou os custos médios anuais de problemas de qualidade de energia em 60,000 para 80,000 USD por instalação.
  6. Custos PQ na UE (2001). PQ custos gerais na indústria e comércio, na União Europeia, são estimadas em 10,000 milhões de euros por ano [6].

As estimativas dos diversos estudos diferem muito, mas tudo aponta para um fator comum: PQ os custos são enormes.

C. Custos de Momentary Interrupções

Uma interrupção é o problema PQ com o impacto mais perceptível em instalações. A Tabela II resume os custos típicos de interrupções momentâneas (1 minuto) para diferentes tipos de consumidores. Os custos apresentados são sem grandes investimentos em tecnologias para alcançar capacidades ride-through para lidar com a interrupção. Estes valores são baseados em serviços publicados e Electrotek Conceitos experiências com estudos individuais [5].

Tabela II - os custos típicos de interrupções momentâneas (1 minuto, na demanda $ / kW, para diferentes tipos de instalações industriais e de serviços.

Custo da interrupção momentânea ($/demanda kW)
Máximo Mínimo
Industrial
Fabricação de automóveis 5.0 7.5
Borracha e plásticos 3.0 4.5
Têxtil 2.0 4.0
Papel 1.5 2.5
Impressão (jornais) 1.0 2.0
Petroquímico 3.0 5.0
Fabricação de metal 2.0 4.0
Vidro 4.0 6.0
Mineração 2.0 4.0
O processamento de alimentos 3.0 5.0
Farmacêutico 5.0 50.0
Eletrônica 8.0 12.0
Fabricação de semicondutores 20.0 60.0
Serviços
Comunicação, processamento de informações 1.0 10.0
Hospitais, bancos, serviços públicos 2.0 3.0
Restaurantes, bares, hotéis 0.5 1.0
Lojas comerciais 0.1 0.5

Como pode ser visto, o setor industrial é a mais afetada por interrupções, especialmente a indústria de processo contínuo. No setor de serviços, comunicação e processamento de informações é a área de negócio mais afetados.

Os custos de interrupções são também função da sua duração. Figo. 4 retrata os custos de interrupções contra a sua duração.

Power Quality Problems and New Solutions_img_3Figo. 4 - Os custos de interrupções como função a sua duração [5].

5. Soluções para PQ Problemas

A mitigação dos problemas de qualidade de energia pode ocorrer em diferentes níveis: transmissão, distribuição e os equipamentos de uso final. Como pode ser visto na Fig.. 5, várias medidas podem ser tomadas a estes níveis.

Power Quality Problems and New Solutions_img_4Figo. 5 - Soluções para energia digital [7]

6. Grade de Adequação

Muitos problemas têm origem PQ na rede de transmissão ou distribuição. Assim, uma rede de transmissão e distribuição adequada, com o planejamento e manutenção adequada, é essencial para minimizar a ocorrência de problemas de QE.

7. Recursos Distribuídos - Sistemas de armazenamento de energia

O interesse na utilização de recursos de energia distribuída (THE) tem aumentado substancialmente nos últimos anos devido ao seu potencial para fornecer maior confiabilidade. Esses recursos incluem sistemas de geração distribuída e de armazenamento de energia.

Sistemas de armazenamento de energia, também conhecida como a restauração tecnologias, são usados ​​para fornecer as cargas elétricas com capacidade de ride-through em mau ambiente PQ.

Power Quality Problems and New Solutions_img_5Figo. 6 - Princípio tecnologias Restaurando [1].

Os recentes avanços tecnológicos em eletrônica de potência e tecnologias de armazenamento estão transformando a restauração tecnologias uma das soluções premium para mitigar os problemas de qualidade de energia.

Power Quality Problems and New Solutions_img_6Figo. 7 - Princípio de funcionamento de um sistema de armazenamento de energia.

A primeira tecnologia de armazenamento de energia utilizada no campo da PQ, ainda o mais utilizado hoje, é bateria eletroquímica. Embora as novas tecnologias, tais como volantes, supercapacitores e armazenamento de energia magnética supercondutora (PME) apresentar muitas vantagens, baterias eletroquímicas ainda governar devido ao seu baixo preço e tecnologia madura.

A. Volantes

Um volante é um dispositivo eletromecânico que os casais de uma máquina elétrica rotativa (motor / gerador) com uma massa em rotação para armazenar energia de curta duração. O motor / gerador consome energia fornecida pela rede para manter o rotor de fiação volante. Durante uma perturbação de energia, a energia cinética armazenada no rotor é transformada DC energia eléctrica pelo gerador, e a energia é fornecida a uma frequência constante e de tensão através de um inversor e um sistema de controle. Figo. 8 mostra o esquema de um volante, onde as principais vantagens deste sistema são explicados.

Power Quality Problems and New Solutions_img_7Figo. 8 - Volante [http://www.beaconpower.com]

Rotores tradicionais volante são geralmente construídos em aço e são limitados a uma velocidade de rotação de alguns milhares de rotações por minuto (RPM). Volantes avançados construídos a partir de materiais de fibra de carbono e rolamentos magnéticos podem girar no vácuo a uma velocidade de até 40,000 para 60,000 RPM. A energia armazenada é proporcional ao momento de inércia e ao quadrado da velocidade rotacional. Volantes de alta velocidade podem armazenar muito mais energia do que os volantes convencionais.

O volante fornece energia durante um período entre a perda de energia elétrica fornecida e quer o retorno da energia, ou o início de um back-up do sistema de energia (ou seja,, gerador diesel). Volantes normalmente fornecem 1-100 segundos de tempo de montar-through, geradores e back-up é capaz de obter on-line dentro 5-20 segundo.

B. Supercapacitores

Supercapacitores (também conhecido como ultracondensadores) são fontes de energia de corrente contínua e deve ser conectado à rede elétrica com um condicionador de energia estática, proporcionando a produção de energia na frequência da rede. Um supercapacitor fornece energia durante as interrupções de curta duração ou afundamentos de tensão.

Supercapacitores tamanho médio (1 MJoule) estão disponíveis comercialmente para implementar capacidade de ride-through no pequeno equipamento eletrônico, mas grandes supercapacitores ainda estão em desenvolvimento, mas pode em breve tornar-se um elemento vital do campo de armazenamento de energia.

Power Quality Problems and New Solutions_img_8Figo. 9 - Elétrica camada dupla supercapacitor [http://www.esmacap.com]

A capacitância é muito grande porque a distância entre as placas é muito pequeno (vários angstroms), e porque a área de superfície do condutor (por exemplo, de carvão activado) alcances 1500-2000 m2/g (16000-21500 ft2/g). Assim, a energia armazenada por estes capacitores pode chegar 50-60 J / g [8].

C. PME

Um campo magnético é criado por circulação de uma corrente contínua de uma bobina de fio supercondutor fechado. O caminho da corrente da bobina de circulação pode ser aberta com uma chave de estado sólido, que é modulado e desligar. Devido à alta indutância da bobina, quando o interruptor estiver desligado (aberto), a bobina magnética comporta-se como uma fonte de corrente e forçará atual para o conversor de energia que irá cobrar a algum nível de tensão. Modulação adequada do interruptor de estado sólido pode manter a tensão dentro da faixa de operação adequada do inversor, que converte a tensão contínua em corrente alternada.

Power Quality Problems and New Solutions_img_9Figo. 10 - Sistema de PME [9].

PME de baixa temperatura refrigerados por hélio líquido está disponível comercialmente. PME de alta temperatura resfriado por nitrogênio líquido ainda está em fase de desenvolvimento e pode se tornar uma fonte comercialmente viável de armazenamento de energia no futuro, devido aos seus custos potencialmente mais baixos.

Sistemas PME são grandes e geralmente utilizado por curtos períodos, como eventos de comutação de serviços públicos.

D. Comparação de Sistemas de Armazenamento

Figo. 11 mostra uma comparação de diferentes tecnologias de armazenamento em termos de potência e de energia específica específica.

Power Quality Problems and New Solutions_img_10Figo. 11 - Potência específica contra intervalos de energia específicos para tecnologias de armazenamento [9].

Power Quality Problems and New Solutions_img_11Figo. 12 - custos específicos de dispositivos de armazenamento de energia [10].

O volante de alta velocidade é de aproximadamente a mesma faixa de preço como as PME e supercapacitores e sobre 5 vezes mais caro do que um baixo volante velocidade devido ao seu design mais complicado e potência limitada. Bateria eletroquímica tem um alto grau de maturidade e um design simples. Abaixo de um tempo de armazenamento de 25 segundo o volante baixa velocidade pode ser mais rentável do que a bateria.

8. Geração Distribuída - Recursos Distribuídos

Geração Distribuída (DG) unidades podem ser utilizadas para fornecer energia limpa para cargas críticas, isolando-os distúrbios com origem na rede. DG unidades também podem ser usados ​​como geradores de backup para garantir o fornecimento de energia para cargas críticas durante quedas sustentadas. Além disso DG unidades pode ser usado para gerenciamento de carga proposto para diminuir a demanda de pico.

Presentemente, alternativo motor é a tecnologia predominante em DG mercado, mas com os avanços da tecnologia, outras tecnologias estão se tornando mais atraente, , tais como as células de combustível ou microturbinas (Tabela III).

Tabela III - Evolução das tecnologias DG.

Motores alternativos Microturbinas Pilhas de Combustível
Cronometragem • Ongoing • Emergentes agora • Dos 200 de
Mercado • utilização Standby / back-up • Pico de barbear e PQ • energia Prime e PQ
Economia • 300 um 600 $/kW • 33-45% • eficiente <5% utilização • 15-30 cents / kWh • 750 $/kW • 20-30% • ~ 20% de utilização eficiente • 10-15 cents / kWh • 1000* um 4000 $/kW • 45-60% • eficiente >80% utilização • 5* cents / kWh * predito

Se DG unidades são para ser utilizados como a geração de back-up, uma unidade de armazenamento deve ser utilizado para fornecer energia às cargas durante o período entre a origem da perturbação e do start-up do gerador de emergência.

A solução mais comum é a combinação de baterias UPS eletroquímicos e um grupo gerador diesel. Presentemente, a integração de um volante e um grupo gerador diesel em uma única unidade também está se tornando uma solução popular, oferecido por muitos fabricantes.

Power Quality Problems and New Solutions_img_12Figo. 13 - Esquema de um sistema de alimentação contínua, usando um volante e um grupo gerador diesel [www.geindustrialsystems.com].

Power Quality Problems and New Solutions_img_13Figo. 14 - UPS dinâmico, por Hitec Power Protection, bv. [http://www.hitec-ups.com].

9. Aprimorados Interface Devices

Além de sistemas de armazenamento de energia e DG, alguns outros dispositivos podem ser usados ​​para resolver os problemas de qualidade de energia.

Usando dispositivos de interface adequadas, pode-se isolar as cargas de distúrbios decorrentes da grade.

A. Restaurador de tensão dinâmica

Um restaurador dinâmico de tensão (DVR) actua como uma fonte de tensão ligada em série com a carga. O princípio de funcionamento dos DVR mais comuns é semelhante à Fig.. 7. A tensão de saída do DVR é mantido aproximadamente constante tensão nos terminais de carga, utilizando um transformador step-up e / ou energia armazenada para injetar potência ativa e reativa no cocho de alimentação de saída de um conversor de voltagem.

B. Transitórios supressores de picos de tensão (TVSS)

Supressores de surtos de tensão transitórios são utilizados como interface entre a fonte de alimentação e cargas sensíveis, de modo que a tensão transitória é presa pela TVSS antes de atingir a carga. TVSSs geralmente contêm um componente com uma resistência não linear (um varistor de óxido metálico ou um diodo zener) que limita a tensão de linha excessiva e realizar qualquer impulso de energia em excesso para a terra.

C. Transformadores de tensão constante

Transformadores de tensão constante (CVT) foram uma das primeiras soluções PQ utilizados para mitigar os efeitos das quedas de tensão e transientes. Para manter constante a tensão, eles usam dois princípios que são normalmente evitados: saturação de ressonância e do núcleo.

Power Quality Problems and New Solutions_img_14Figo. 15 – Constant voltage transformer.

Quando ocorre a ressonância, a corrente irá aumentar a um ponto em que faz com que a saturação do núcleo magnético do transformador. Se o núcleo magnético é saturado, em seguida, o fluxo magnético vai permanecer praticamente constante e transformador produz uma saída de tensão aproximadamente constante.

Se não for usado corretamente, um CVT vai originar mais problemas de qualidade de energia do que os mitigado. Pode produzir transientes, harmônicos (onda de tensão cortada na parte superior e os lados) e é ineficiente (sobre 80% em plena carga). Sua aplicação está se tornando raro devido aos avanços tecnológicos em outras áreas.

D. Filtros de ruído

Filtros de ruído são utilizados para evitar os sinais de corrente de freqüência ou tensão indesejadas (ruído) atinjam equipamento sensível. Isto pode ser conseguido usando uma combinação de condensadores e indutores que cria um caminho de baixa impedância para a frequência fundamental e de alta impedância às frequências mais elevadas, que é, um filtro passa-baixa. Eles devem ser usados ​​quando o ruído com freqüência na faixa de kHz é considerável.

Ele. Transformadores de isolação

Transformadores de isolamento são usadas para isolar cargas sensíveis de transientes e ruídos provenientes da rede elétrica. Em alguns casos (Conexão Delta-Wye) transformadores de isolamento manter correntes harmônicas geradas por cargas de ficar a montante do transformador.

A particularidade de transformadores de isolamento é uma blindagem aterrada feito da folha de nonmagnetic localizado entre o primário eo secundário. Qualquer ruído ou transiente que vêm da fonte é transmitido através da capacitância entre o primário e o escudo e para o solo e não atinge a carga.

Figo. 16 - Transformador de isolamento.

F. Compensadores estáticos VAR

Compensadores estáticos VAR (SVR) usar uma combinação de capacitores e reatores para regular a tensão rapidamente. Interruptores de estado sólido controlar a inserção dos capacitores e reatores da magnitude direito de impedir que a tensão de flutuação. A principal aplicação do SVR é a regulação de tensão em alta tensão ea eliminação de flicker causado por grandes cargas (tais como fornos de indução).

G. Filtros de harmônicas

Filtros de harmônicas são usados ​​para reduzir harmônicos indesejáveis. Eles podem ser divididos em dois grupos: filtros passivos e filtros ativos.

Power Quality Problems and New Solutions_img_16Figo. 17 - Filtros de harmônicas [11].

Os filtros passivos (Figo. 17 esquerda) consistem em um caminho de baixa impedância para as freqüências dos harmônicos a serem atenuadas utilizando componentes passivos (indutores, capacitores e resistores). Vários filtros passivos ligados em paralelo podem ser necessários para eliminar vários componentes harmónicas. Se o sistema varia (mudança de componentes harmônicas), filtros passivos podem tornar-se ineficazes e ressonância causa.

Filtros ativos (Figo. 17 direito) analisar a corrente consumida pela carga e criar uma corrente que cancelar a corrente harmónica gerado pelas cargas. Filtros ativos eram caros no passado, mas eles agora estão se tornando o custo de compensação eficaz para desconhecidos ou mudança harmônicos.

10. Desenvolver Códigos e Normas

Foram tomadas algumas medidas para regular o nível PQ mínimo que as concessionárias têm de fornecer aos consumidores e do nível de imunidade que o equipamento deve ter para funcionar corretamente quando a energia fornecida está dentro dos padrões.

Um passo importante nessa direção foi dado com a curva CBEMA (Figo 18), criado pela Associação de Computer and Business Equipment Manufacturer. Esta norma especifica a capacidade de resistência mínima de equipamentos de informática para afundamentos de tensão, micro-interrupções e sobretensões.

Power Quality Problems and New Solutions_img_17Figo. 18 - Curva CBEMA.

 

Figo. 19 - Curva ITIC

Esta curva, embora substituído recentemente por ITIC (Tecnologia da Informação Conselho da Indústria) curva (Figo. 19), ainda é uma referência na área de PQ. Quando a tensão esteja dentro dos limites determinados pela zona sombreada, o equipamento deve funcionar normalmente. Quando a tensão é constituído na zona abaixo da zona permitida, os equipamentos podem funcionar mal ou parar. Quando a tensão é composto na zona interdita superior, além de mau funcionamento do equipamento, danos no equipamento pode ocorrer.

Outras organizações de normalização (IEC, CENELEC, IEEE, etc) Desenvolvemos um conjunto de normas com os mesmos fins. Na Europa, as normas mais relevantes PQ são o PT 50160 (pelo CENELEC) e IEC 61000.

Tabela IV – Parâmetros mais importantes definidos pela norma europeia 50160:2001.

Limites
Freqüência Deve permanecer entre 49.5 (-1%) e 50.5 (+1%) Hz.
Tensão A tensão deve estar entre 90% e 110% de tensão nominal.
Desequilíbrio de tensão A sequência negativa não pode assumir magnitude maior do que 2% da seqüência direta.
Tensão harmônica THD < 8 % V3 < 5.0% V5 < 6.0% V7 < 5.0%

11. Certifique-uso End Devices menos sensível

Projetando o equipamento a ser menos sensíveis a distúrbios geralmente é a medida mais eficaz para evitar problemas de qualidade de energia. Alguns fabricantes de equipamentos de uso final estão agora reconhecendo este problema, mas o mercado competitivo significa que os fabricantes devem reduzir custos e só responder às necessidades dos clientes. A exceção é o mercado ASD, onde os fabricantes estão promovendo ativamente produtos com capacidades de ride-through melhoradas.

A adição de um capacitor com uma capacidade maior de fontes de alimentação, utilização de cabos com condutores neutros maiores, desclassificação transformadores e ajustar os relés de subtensão, são medidas que podem ser tomadas pelos fabricantes para reduzir a sensibilidade do equipamento para a PQ problemas.

12. Conclusões

A disponibilidade de energia elétrica com alta qualidade é fundamental para o funcionamento da sociedade moderna. Se alguns setores estão satisfeitos com a qualidade da energia fornecida pelas concessionárias, outros são mais exigentes.

Para evitar as enormes perdas relacionadas a problemas de qualidade de energia, os consumidores mais exigentes devem tomar medidas para evitar os problemas. Entre as várias medidas, selecção de equipamento menos sensível pode desempenhar um papel importante. Quando até mesmo o equipamento mais robusto é afetado, em seguida, devem ser tomadas outras medidas, tais como a instalação de restaurar tecnologias, geração distribuída ou um dispositivo de interface para evitar problemas de qualidade de energia.

Referências

[1] J. Fino, “Gestão da Qualidade Total Aplicada ao Sector do Fornecimento da Energia Eléctrica”, Dissertação apresentada para cumprimento dos requisitos para o grau de PhD. em Engenharia Electrotécnica, Coimbra, Setembro 2002.

[2] “O Problema Dois Segundos”, American Superconductor e Pesquisa EPRI, Março 1998.

[3] EPRI Grupo de entrega de energia, "O Futuro do fornecimento de energia no 21ª Século ", 1999.

[4] M. A bola, "Problemas de Qualidade de Energia Compreensão - afundamentos de tensão e interrupções", IEEE Série Prima Engenharia de Energia - John Wiley and Sons, Piscataway, EUA (2000).

[5] M. McGranaghan, "Custos de Interrupções", em processos da Qualidade de Energia 2002 Conferência, Rosemont, Illinois, pp 1-8, Outubro 2002..

[6] D. Chapman, "Custos de má qualidade de energia", Guia de Aplicação de Qualidade de Energia - Associação de Desenvolvimento de cobre, Março 2001.

[7] EPRI, "Criando a infra-estrutura eléctrica para uma Sociedade Digital", Conferência UIE-2000, Lisboa, 13, Novembro 2000.

[8] http://www.esma-cap.com

[9] P. Ribeiro, B. Johnson, M. Corvo, A. Arsoy, E. Liu, "Sistemas de armazenamento de energia para aplicações avançadas de energia", Proceedings of the IEEE, vôo 89, não. 12, Dezembro 2001.

[10] H. Darrelmann, "Comparação de Tempo Curto sistemas de armazenamento alternativos", Saque, Ltd., Osterode, Alemanha.

[11] P. Ferracci, "Qualidade de Energia", Técnica Cahier Schneider Electric não. 199, Setembro 2000.

Fonte: www.icrepq.com/pdfs/PL4.ALMEIDA.pdf

Diretrizes para a elaboração de estudos de caso de qualidade de energia para a web

Aqui estão algumas diretrizes para a produção de um informativo estudos de caso de qualidade de energia que ajudarão a vender suas habilidades ou soluções mitigadoras. Essas seções devem ser cobertos:

  • Introdução – A declaração do problema e as conseqüências
  • Análise – quais são as medidas tomadas para analisar o problema
  • Solução – Que solução foi escolhida para minimizar o problema
  • Conclusão – mostrar o quão eficaz é a solução Continue lendo