Considerações sobre Harmônicas - Rockwell Automation · Author: Fernanda Santos Subject:...

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PUBLIC - 5058-CO900H

Considerações sobre Harmônicas

Raymond Schmitz

SP Maio 2015

Copyright © 2015 Rockwell Automation, Inc. All Rights Reserved.PUBLIC 2Copyright © 2005 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.

Sistema com inversor

Transformador Inversor Motor

M


Transformador Inversor Motor

Corrente harmônicas de rede

M

Sistema com Inversor

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Harmônicas -Tópicos

4

Definição.

Efeitos das correntes harmônicas

Medindo as harmônicas (onde ?)

Porque os inversores produzem harmônicas ?

Entendendo a IEEE-519

Variação das harmônicas em função da carga

Efeito das harmônicas sobre o fator de potência

Como minimizar as harmônicas

Ferramenta para estimar as harmônicas

Conclusão


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PUBLIC - 5058-CO900HCopyright © 2005 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 5

Definição

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Copyright © 2005 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.

De maneira facil e didática podemos dizer que...

A RSS da FFT

deve atender

a THD e a TDD

Recomendado pela IEEE no PCC


O que são Harmônicas ?

7

Harmônicas são correntes parasitarias que vão se somar na correntefundamental.

Harmônicas causam a distorção de uma forma de onda puramente senoidal.

Harmônicas são multiplos inteiros da frequência fundamental de um sistema.

para um sistema em 50Hz , 5a. é 250Hz, 7a. é 350 Hz

para um sistema em 60Hz, 5a. é 300Hz, 7a. é 420 Hz

Total Harmonic Distortion (THD) é a maneira de quantificar a distorção total de uma forma de onda.

Todos os retificadores (cargas não lineares) produzem correntes harmônicas querealimentam o sistema de potência.


Quem causa Harmônica ?

• Qualquer carga não-linear.

• Numa carga não-linear, a corrente não é proporcional na

tensão aplicada.

Carga Linear: Corrente e Tensão

são proporcionais.

VAN

IA

Carga não Linear: Corrente e Tensão

não são proporcionais.

VAN

IA


Exemplos de Cargas lineares

• Motores

• Resistores de aquecimento

• Transformadores ( apos energização )

• Lampadas encandescentes, etc.


Exemplos de Cargas não-lineares

• Lâmpadas Fluorecentes

• Fontes Chaveadas

• Fornos a Arco

• Retificadores, etc.



Harmônicas em um Retificador Típico( 6 Pulsos )

1a., 5a., 7a.

1a. + 5a. (-20%) + 7a. (-13%) + 11a. (9%) + 13a. (7%)

1a. + 5a. (-20%) + 7a. (-13%)

1a. + 5a. (-20%)


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Efeitos das Correntes Harmônicas


Efeitos das Correntes Harmônicas

13

Correntes harmônicas fluindo em um sistema elétrico irão produzir

distorções de tensão em vários pontos de interligação com outras cargas.

A distorção depende da:

impedância do sistema ;

amplitude das harmônicas injetadas no sistema ;

relação entre cargas lineares e cargas não-lineares ;

tipo de retificador utilizado (Ex : 6 Pulsos, 12 Pulsos, etc...)


Causa raiz com outros equipamentos

14Copyright © 2011 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.

Harmônicas de

Corrente

causam

Distorção de Tensão

HARMONIC SOURCE

PLC

EQUIPMENT

TELEPHONE

EQUIPMENT

DATA

PROCESSING

CENTER

PCC

IH


Efeito das correntes harmônicas

15

Problemas com harmônicas podem incluir :

Sobreaquecimento de componentes (motores, capacitores,

transformadores, etc…) ;

Aumento da corrente total limitando futuras ampliações do sistema elétrico

Mau funcionamento de equipamentos ;

Interferências no sistema telefônico ;

Medições incorretas, mau funcionamento dos relés de proteção de

sobrecarga ;

Harmônicas causam correntes adicionais que não produzem “trabalho” ;

Distorção da tensão de alimentação ;


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Medindo as Harmônicas (Onde ?)


Medindo as Harmônicas

Ponto de acoplamento comum (PCC)• Geralmente onde o usuário se conecta com a concessionária

DIAGRAMA UNIFILAR


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Porque os inversores produzem harmônicas ?



Topologia de um inversor de frequência

Converter

AC to DC

Inverter

DC to AC

DC

Bus

Filter

AC DriveA

C M

oto

r Outp

utA

C L

ine I

nput



Retificador de entrada

Cbusbus_cap

V0 := Vstart

D1 D2 D3

D5 D6D4

Lar

Lreactor

Lbr

Lreactor

Lcr

Lreactor

Load

I0 := -(load_cur)

I0 := load_cur

load_cur

Llink

Ldclink

75hp, 480V Converter+

V

+

V

La

LsourceI0 := 0

Lb

I0 := -(load_cur)Lsource

Lc

I0 := load_curLsource

ET1

Va

ET2

Vb

ET3

Vc

VMan2

VMab

FML_INIT2

+

V VMac

+

V

VMan1

Simplorer Student Version at www.ansoft.com

Va

Vb

Vc



Inversor sem reator no barramento CC

VMab.V = f ...

La.I = f (t, b...

Cbus.V = f (...

VMac.V = f ...

VMan.V [V]...

50.00m

50.00m

100.00m

100.00m

62.50m

62.50m

75.00m

75.00m

87.50m

87.50m

-800.0 -800.0

800.0

0 0

-666.7 -666.7

-333.3 -333.3

333.3 333.3

666.7




VMab.V = f ...

La.I = f (t, b...

Cbus.V = f (...

VMac.V = f ...

VMan.V [V]...

50.00m

50.00m

100.00m

100.00m

62.50m

62.50m

75.00m

75.00m

87.50m

87.50m

-800.0 -800.0

800.0

0 0

-666.7 -666.7

-333.3 -333.3

333.3 333.3

666.7




VMab.V = f ...

La.I = f (t, b...

Cbus.V = f (...

VMac.V = f ...

VMan.V [V]...

81.50m

81.50m

93.50m

93.50m

82.50m

82.50m

85.00m

85.00m

87.50m

87.50m

90.00m

90.00m

92.50m

92.50m

-100.0 -100.0

800.0

0 0

200.0 200.0

400.0 400.0

600.0 600.0

Vab Vac

Van

Vbus

Ia

400A/ms



Retificador de Entrada

Cbusbus_cap

V0 := Vstart

D1 D2 D3

D5 D6D4

Lar

Lreactor

Lbr

Lreactor

Lcr

Lreactor

Load

I0 := -(load_cur)

I0 := load_cur

load_cur

Llink

Ldclink


V

+

V

La

LsourceI0 := 0

Lb


Lc


ET1

Va

ET2

Vb

ET3

Vc

VMan2

VMab

FML_INIT2

+

V VMac

+

V

VMan1



Inversor com reator no barramento CC

VMab.V = f ...

La.I = f (t, b...

Cbus.V = f (...

VMac.V = f ...

VMan.V [V]...

150.0m

150.0m

200.0m

200.0m

162.5m

162.5m

175.0m

175.0m

187.5m

187.5m

-800.0 -800.0

800.0

0 0

-666.7 -666.7

-333.3 -333.3

333.3 333.3

666.7



Inversor com reator no barramento CC

VMab.V = f ...

La.I = f (t, b...

Cbus.V = f (...

VMac.V = f ...

VMan.V [V]...

181.5m

181.5m

193.5m

193.5m

182.5m

182.5m

185.0m

185.0m

187.5m

187.5m

190.0m

190.0m

192.5m

192.5m

-100.0 -100.0

800.0

0 0

200.0 200.0

400.0 400.0

600.0 600.0

Vab Vac

Van

Vbus

Ia

80A/ms


Importante

Harmônicas de corrente

criam

Distorção de tensão


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Entendendo a IEEE-519



O que devemos fazer com as harmônicas?

Não é nem econômico nem desejável eliminar todas as harmônicas.

Guias práticos e análises são utilizados e/ou necessários para

determinar se ocorrerão problemas criados pela introdução de

harmônicas em um sistema.

Normas e Recomendações :

IEEE-519 (nos EUA e América do Sul)

IEC-555 (Europa e algumas áreas na América do Sul)


Quais são os limites da IEEE 519-1992 ?

Application Maximum THD (%)

Special Applications - hospitals and airports 3.0%

General System 5.0%

Dedicated System - exclusively converter load 10.0%

Harmonic Voltage LimitsLow-Voltage Systems

Table 10.2

Table 10.3

Current distortion Limits for General Distribution Systems (120V through 69,000V)

Isc/Iload <11 11<=h<17 17<=h<23 23<=h<35 35<=h TDD (%)

<20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0

20<50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0

50<100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0

100<1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0

>1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0

Even harmonics are limited to 25% of the odd harmonic limits above

Isc=maximum short circuit current at PCC

Iload=maximum demand load current (fundamental frequency component) at PCC

Maximum Harmonic Current Distortion in Percent of Iload



O objetivo da IEEE 519(Primeiro Mandamento)



Quem é seu vizinho ?



Quem é seu vizinho ?

transformertransformer

PCC1

2500kVA

5.75%Z

480Vsec

utility

2500kVA

5.75%Z

480Vsec

utility

Other

Customer

Customer

A

Other

Customer

Customer

B

Other

Customer

Customer

C

Iharm A

Iharm B

Iharm C

Ifund A

Ifund B

Ifund C

Iharm

Ifund

I(TDD) is measured at each metering point

Goal is to

keep the V(THD) at

PCC1 <= 5%,


Olhando internamente o cliente A

Atende a IEEE-519 no PCC1

PCC1

Isc/Iload = 53.3V(THD) = 2.0%I(TDD) = 11.5%

113Arms

981Arms

V(THD) <= 10%

V(THD) <= 5%

Customer A 300hp 6-P drives600hp linear loads

V(THD) <= 5%



Atender a IEEE-519 no Inversor ???

É bom lembrar que a IEEE 519é uma recomendaçãopara sistemas de distribuiçãoe nãopara equipamentos


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Variação das Harmônicas em função da carga



Efeito da corrente motor sobre I(THD) ?

I(THD) aumenta a medida que a carga diminue ;I(fund) diminue a medida que a carga diminue ;I(harm) diminue a medida que a carga diminue.

NOTA :I(THD) = Iharm / Ifund

6-Pulse Buffered Drive Currents

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100% Load

% o

f Fu

ll L

oa

d F

un

d. C

urr

en

t

Iharm

Ifund

I(THD)


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Efeito das Harmônicas no fator de potência



P.F. Total = Fator de Deslocamento (Displacement P.F.) xFator de Distorção (Distortion P.F.)

As concessionárias medem o Fator de Potência Total.

A maioria dos fabricantes de inversores falam somente dofator de deslocamento (Displacement Power Factor).

E o Fator de Distorção, e o Fator de Deslocamento, são importantes ?

Fator de Potência



Distortion Power Factor É o não alinhamento da Tensão e Corrente devido a distorção das formas de Onda.

Displacement Power Factor Defasagem entre Tensão e Corrente na passagem por zero.

Ambos são importantes e igualmente afetam

o fator de potência total !

2

1

1

1

THDI

IDF

rms

1cosIDF

O que são Fatores de Distorção e Deslocamento


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Como minimizar as harmônicas



Relação entre Número de Pulsos dos

Retificadores e as Harmônicas

As Harmônicas características (h) em relação ao número de pulsos (n)

de um retificador é dado por :

h= k n 1

k = múltiplo do número de pulsos

Ex : 6 pulsos injeta 61= 5a. e 7a., 121 = 11a. e 13a.



A amplitude (A) de uma dada harmônica é relacionada com o número de

pulsos por :

A = 1/h

quanto maior a ordem da harmônica, menor será sua

amplitude.

Ex : 5a. harmônica 1/5 = 20%, 7a. harmônica 1/7 = 13%.

Relação entre Número de Pulsos dos Retificadores e as Harmônicas



Retificador de 6 pulsos5a e 7a Harmônicas

Retificador



Através de um transformador alimentador com multiplos secundários.

O deslocamento de fase dos secundários é obtido por :

para um retificador de 12 pulsos, o deslocamento de fase deve ser 60/2=30° (Ex : enrolamentos em

no secundário e Y no terciário).

para um retificador de 18 pulsos, o deslocamento de fase entre enrolamentos do secundário serão de

20°, 0° e -20° (Ex : configuração dos enrolamentos em delta ou estrela).

windingsondaryofnumbershiftphase

_sec__

60_

Como atingir um maior número de pulsos ?




Rectificador de

12 Pulsos



Retificador AFE (Active Front End)A

C L

ine I

nput

Converter

AC to DC

Inverter

DC to AC

DC

Bus

Filter

Regenerative AC Drive

AC

Moto

r Outp

ut



THD típico em função do retificador


Técnicas de Redução de Harmônicas

• Reator no Barramento CC do inversor (PowerFlex) ;

• Reator de Entrada ;

• Utilização de Filtros Ativos ou Passivos de Harmônicas ;

• Utilizar inversores com entrada ativa (Entrada AFE/PWM) ;

• Aumentar o número de pulsos do retificador. Ex : 12 ou 18 pulsos ;

• No caso de ter um número par de inversores de mesma potência e com

mesmo perfil de carga adotar um arranjo “pseudo “ 12 pulsos colocando

metade da carga num secundario em estrela e outra metade num

secundario em triangulo ;

• Aumentar as cargas lineares em relação às não-lineares, etc.



Reator no barramento CC e/ou Reator de entrada

Cbusbus_cap

V0 := Vstart

D1 D2 D3

D5 D6D4

Lar

Lreactor

Lbr

Lreactor

Lcr

Lreactor

Load

I0 := -(load_cur)

I0 := load_cur

load_cur

Llink

Ldclink


V

+

V

La

LsourceI0 := 0

Lb


Lc


ET1

Va

ET2

Vb

ET3

Vc

VMan2

VMab

FML_INIT2

+

V VMac

+

V

VMan1


Filtros Passivos

M

hp

Motor

Load

Transformer

xfmr

% Z

Passive Filter

Drive

DC

AC

AC

DC

DC Link

Choke

Ia = f( S,...

-25.00m

-25.00m

24.90m

24.90m

0

0

-20.00m

-20.00m

-10.00m

-10.00m

10.00m

10.00m

20.00m

20.00m

-150.0 -150.0

150.0

0 0

-100.0 -100.0

-50.0 -50.0

50.0 50.0

100.0 100.0

I(THD) de 4 até 7%


M

Drive

hp

Motor

Load

Transformer

DC

AC

DC Link

Chokexfmr

% Z

Active Filter

AC

DC

AC

DC

Ifund Ifund + Iharm

Iharm

Ia = f( S,...

-25.00m

-25.00m

24.90m

24.90m

0

0

-20.00m

-20.00m

-10.00m

-10.00m

10.00m

10.00m

20.00m

20.00m

-150.0 -150.0

150.0

0 0

-100.0 -100.0

-50.0 -50.0

50.0 50.0

100.0 100.0

Filtros Ativos

I(THD) típico de 3 à 6%



Estrela-Triângulo (pseudo 12-Pulsos)

Solução para dois inversores.

Proporciona uma boa diminuição

do conteúdo harmônico.

I(THD) de 30% para 15%.

Drive

DC

AC

DC Link

Choke

AC

DCM

Drive

DC

AC

DC Link

Choke

AC

DCM

Transformer

xfmr

% Z

orreactor

• Carga : 50% em cada trafo.

(A corrente mostrada ao lado foi medida

com 100% de carga aplicada no

inversor superior e 25% de carga

aplicada no inversor inferior)

La1.I = f...

150.0m

150.0m

200.0m

200.0m

162.5m

162.5m

175.0m

175.0m

187.5m

187.5m

-1000.0 -1000.0

1000.0

0 0

-500.0 -500.0

500.0 500.0


Custos das técnicas de redução de harmônicas

0 50 100 150 200 250 300

Basic Drive without dc link choke

Addition of dc link choke

Addition of 3% line reactor

Addition of passive filter

12 pulse auto transformer

18 pulse auto transformer

Active filter

Synchronous converter

Relative Installed Cost, %



Custos das técnicas de redução de harmônicas

$0

$10,000

$20,000

$30,000

$40,000

$50,000

$60,000

$70,000

$80,000

$90,000

10

HP

25

HP

50

HP

75

HP

10

0 H

P

15

0 H

P

20

0 H

P

25

0 H

P

30

0 H

P

40

0 H

P

50

0 H

P

80

0 H

P

Active Filter

Passive Filter

18-Pulse

Active Front-End



Custos das técnicas de redução de harmônicas -

2010


Aumentando as Cargas Lineares

Iharm, A 20 20 20 20

Ifund, A 10 20 100 1000

Itotal, A 22.4 28.3 102.0 1000.2

I(THD) 200% 100% 20% 2%

Lembre-se : I(THD) = Iharm/Ifund



Exemplo IEEE-519

Recomendação : 5% de distorção harmônica de tensão.

Transformador de 250KVA c/ 6% de impedância alimentando um inversor

de 150HP.

Inversor sem reator no barramento CC : 6,55 % de distorção harmônica

(Acima do recomendado pela IEEE).

Inversor com Reator no Barramento CC : 4,87% de distorção harmônica

(Abaixo do recomendado pela IEEE).


Tendências do mercado

12/18 Pulsos - muito bem aceitas no mercado

Geralmente pré-especificados ;

Tecnologia madura e simples ;

Solução mais barata acima de 150/ 200HP.

Filtros passivos

Solução competitiva para Inversores <150/200 HP ;

Tecnologia bem dominada.

Filtros ativos

Começando a aparecer nas especificações ;

Alto custo de aquisição.

AFE (Active Front End – Retificador ativo na entrada)

Muito bem aceito na Europa ;

Problema de custo na America do Norte e America Latina.

Obs : O preço do cobre e do aço silicio está aumentando muito e preço da eletrônica depotência está diminuindo.


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Ferramentas para avaliar sua THD



Identificar o PCC e aplicar a técnica mais apropriada (barata) ;

Adicionar reatores AC (ou reator CC se possível) para inversores comretificadores de 6 pulsos ;

Considerar o uso de filtros ativos para sistemas com múltiplosinversores ;

No caso de existir um número par de inversores de mesma potência ecom mesmo perfil de carga, adotar um arranjo “pseudo 12 pulsos”colocando metade da carga no secundário em estrela e a outrametade no secundário em triângulo ;

Tentar separar os sistemas de alimentação para as cargas lineares enão-lineares e ter assim limites de THD de tensão diferentes (5% e10%).

Como atender a IEEE519



Internet

Internet :

http://www.ab.com : Drives, Get Support, Softwares (Harmonic Calculator,

Energy Comparison, etc...), na mesma página tem tambem : Informações Técnicas

(Technical Inf), Artigos Técnicos (Technical Articles), etc...

http://www.rockwellautomation.com

http://www.rockwellautomation.com.br

http://www.ab.com/

http://www.rockwellautomation.com.br/


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Seguindo estas recomendações, você deveráatingir um THD aceitável para sua operação !

Muito obrigado!

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