t13 Consideracoes Sobre Harmonicas Em Sistemas Com Inversores de Frequencia

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PUBLIC - 5058-CO900H

Consideraes sobre Harmnicas

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 harmnicas de rede

M

Sistema com Inversor

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Harmnicas -Tpicos

4

Definio.

Efeitos das correntes harmnicas

Medindo as harmnicas (onde ?)

Porque os inversores produzem harmnicas ?

Entendendo a IEEE-519

Variao das harmnicas em funo da carga

Efeito das harmnicas sobre o fator de potncia

Como minimizar as harmnicas

Ferramenta para estimar as harmnicas

Concluso


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

Definio

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De maneira facil e didtica podemos dizer que...

A RSS da FFT

deve atender

a THD e a TDD

Recomendado pela IEEE no PCC


O que so Harmnicas ?

7

Harmnicas so correntes parasitarias que vo se somar na correntefundamental.

Harmnicas causam a distoro de uma forma de onda puramente senoidal.

Harmnicas so multiplos inteiros da frequncia fundamental de um sistema.

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

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

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

Todos os retificadores (cargas no lineares) produzem correntes harmnicas querealimentam o sistema de potncia.


Quem causa Harmnica ?

Qualquer carga no-linear.

Numa carga no-linear, a corrente no proporcional natenso aplicada.

Carga Linear: Corrente e Tenso

so proporcionais.

VAN

IA

Carga no Linear: Corrente e Tenso

no so proporcionais.

VANIA


Exemplos de Cargas lineares

Motores

Resistores de aquecimento

Transformadores ( apos energizao )

Lampadas encandescentes, etc.


Exemplos de Cargas no-lineares

Lmpadas Fluorecentes

Fontes Chaveadas

Fornos a Arco

Retificadores, etc.



Harmnicas em um Retificador Tpico( 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 Harmnicas


Efeitos das Correntes Harmnicas

13

Correntes harmnicas fluindo em um sistema eltrico iro produzirdistores de tenso em vrios pontos de interligao com outras cargas.

A distoro depende da:

impedncia do sistema ;

amplitude das harmnicas injetadas no sistema ;

relao entre cargas lineares e cargas no-lineares ;

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


Causa raiz com outros equipamentos

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Harmnicas de

Corrente

causam

Distoro de Tenso

HARMONIC SOURCE

PLC

EQUIPMENT

TELEPHONE

EQUIPMENT

DATA

PROCESSING

CENTER

PCC

IH


Efeito das correntes harmnicas

15

Problemas com harmnicas podem incluir :

Sobreaquecimento de componentes (motores, capacitores, transformadores, etc) ;

Aumento da corrente total limitando futuras ampliaes do sistema eltrico

Mau funcionamento de equipamentos ;

Interferncias no sistema telefnico ;

Medies incorretas, mau funcionamento dos rels de proteo de sobrecarga ;

Harmnicas causam correntes adicionais que no produzem trabalho ;

Distoro da tenso de alimentao ;


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Medindo as Harmnicas (Onde ?)


Medindo as Harmnicas

Ponto de acoplamento comum (PCC) Geralmente onde o usurio se conecta com a concessionria

DIAGRAMA UNIFILAR


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Porque os inversores produzem harmnicas ?



Topologia de um inversor de frequncia

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

Harmnicas de corrente

criam

Distoro de tenso


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Entendendo a IEEE-519



O que devemos fazer com as harmnicas?

No nem econmico nem desejvel eliminar todas as harmnicas.

Guias prticos e anlises so utilizados e/ou necessrios para determinar se ocorrero problemas criados pela introduo de

harmnicas em um sistema.

Normas e Recomendaes :

IEEE-519 (nos EUA e Amrica do Sul)

IEC-555 (Europa e algumas reas na Amrica do Sul)


Quais so 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



O objetivo da IEEE 519(Primeiro Mandamento)



Quem seu vizinho ?



Quem 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


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)



Atender a IEEE-519 no Inversor ???

bom lembrar que a IEEE 519 uma recomendaopara sistemas de distribuioe nopara equipamentos


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Variao das Harmnicas em funo 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 Full

Load F

und. C

urr

ent

Iharm

Ifund

I(THD)


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Efeito das Harmnicas no fator de potncia



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

As concessionrias medem o Fator de Potncia Total.

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

E o Fator de Distoro, e o Fator de Deslocamento, so importantes ?

Fator de Potncia



Distortion Power Factor o no alinhamento da Tenso e Corrente devido a distoro das formas de Onda.

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

Ambos so importantes e igualmente afetam

o fator de potncia total !

2

1

1

1

THDI

IDF

rms

1cosIDF

O que so Fatores de Distoro e Deslocamento


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Como minimizar as harmnicas



Relao entre Nmero de Pulsos dos

Retificadores e as Harmnicas

As Harmnicas caractersticas (h) em relao ao nmero de pulsos (n) de um retificador dado por :

h= k n 1

k = mltiplo do nmero de pulsos

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



A amplitude (A) de uma dada harmnica relacionada com o nmero de pulsos por :

A = 1/h

quanto maior a ordem da harmnica, menor ser sua

amplitude.

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

Relao entre Nmero de Pulsos dos Retificadores e as Harmnicas



Retificador de 6 pulsos5a e 7a Harmnicas

Retificador



Atravs de um transformador alimentador com multiplos secundrios.

O deslocamento de fase dos secundrios obtido por :

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

no secundrio e Y no tercirio).

para um retificador de 18 pulsos, o deslocamento de fase entre enrolamentos do secundrio sero de

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

windingsondaryofnumbershiftphase

_sec__

60_

Como atingir um maior nmero 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 tpico em funo do retificador


Tcnicas de Reduo de Harmnicas

Reator no Barramento CC do inversor (PowerFlex) ;

Reator de Entrada ;

Utilizao de Filtros Ativos ou Passivos de Harmnicas ;

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

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

No caso de ter um nmero par de inversores de mesma potncia e commesmo perfil de carga adotar um arranjo pseudo 12 pulsos colocandometade da carga num secundario em estrela e outra metade num

secundario em triangulo ;

Aumentar as cargas lineares em relao s no-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 at 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) tpico de 3 6%



Estrela-Tringulo (pseudo 12-Pulsos)

Soluo para dois inversores.

Proporciona uma boa diminuiodo contedo harmnico.

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 tcnicas de reduo de harmnicas

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 tcnicas de reduo de harmnicas

$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 tcnicas de reduo de harmnicas -

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

Recomendao : 5% de distoro harmnica de tenso.

Transformador de 250KVA c/ 6% de impedncia alimentando um inversor de 150HP.

Inversor sem reator no barramento CC : 6,55 % de distoro harmnica (Acima do recomendado pela IEEE).

Inversor com Reator no Barramento CC : 4,87% de distoro harmnica (Abaixo do recomendado pela IEEE).


Tendncias do mercado

12/18 Pulsos - muito bem aceitas no mercado

Geralmente pr-especificados ;

Tecnologia madura e simples ;

Soluo mais barata acima de 150/ 200HP.

Filtros passivos

Soluo competitiva para Inversores


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Ferramentas para avaliar sua THD



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

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

Considerar o uso de filtros ativos para sistemas com mltiplosinversores ;

No caso de existir um nmero par de inversores de mesma potncia ecom mesmo perfil de carga, adotar um arranjo pseudo 12 pulsoscolocando metade da carga no secundrio em estrela e a outrametade no secundrio em tringulo ;

Tentar separar os sistemas de alimentao para as cargas lineares eno-lineares e ter assim limites de THD de tenso diferentes (5% e10%).

Como atender a IEEE519



Internet

Internet :

http://www.ab.com : Drives, Get Support, Softwares (Harmonic Calculator, Energy Comparison, etc...), na mesma pgina tem tambem : Informaes Tcnicas

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

http://www.rockwellautomation.com

http://www.rockwellautomation.com.br


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Seguindo estas recomendaes, voc deveratingir um THD aceitvel para sua operao !

Muito obrigado!

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