Cum se manipulează armoniile în sistemele de alimentare electrică

În timp ce armonicile muzicale pot fi plăcute urechii, armonicele de curent electric reprezintă o problemă din ce în ce mai mare în sistemele de alimentare. Echipamentele și cablurile se pot supraîncălzi, motoarele pot fi deteriorate, iar factura dvs. electrică ar putea fi mult mai mare decât trebuie.

Fără a intra în ecuațiile Fourier sau a necesita un nivel de cunoștințe de inginerie electrică, să analizăm cauza armonicelor din sistemele de alimentare actuale și modul în care o revizuire a ingineriei energetice a instalațiilor dvs. poate ajuta la rezolvarea problemei.

Undele armonice în comparație cu curentul alternativ normal și undele de tensiune

Definiția dicționarului „armonici” este: O undă a cărei frecvență este un număr întreg al unei alte unde.

Forma de undă obișnuită a curentului alternativ în majoritatea circuitelor de energie electrică este o undă sinusoidală care schimbă direcțiile la o anumită frecvență, de obicei 50 sau 60 hertz. O sarcină electrică liniară atrage curent la aceeași frecvență și formă de undă sinusoidală ca frecvența de tensiune și forma de undă, deși calendarul sau faza dintre curent și tensiune se pot modifica.

Exemple de sarcini liniare includ iluminatul cu incandescență și încălzitoarele electrice. Sarcina pentru motoarele de curent alternativ cu viteză constantă este aproape liniară, iar curentul de sarcină este o undă sinusoidală cu distorsiuni foarte mici, deoarece sarcinile liniare sunt relativ constante și nu produc frecvențe noi (armonice).

Încărcările neliniare, totuși, provoacă armonici, deoarece trag curent la alte frecvențe decât 60 Hz, în impulsuri bruste și inegale. Aceste distorsiuni non-sinusoidale în formele de undă de curent și tensiune se stratifică apoi ca frecvențe multiple pe frecvența fundamentală. Aceste frecvențe multiple se numesc armonici.

Birourile au multe surse de încărcări neliniare care sunt generatoare de armonici, cum ar fi calculatoare, imprimante, copiatoare și drivere LED pentru iluminat fluorescent. Sursele industriale de încărcări neliniare includ surse de alimentare neîntreruptibile, redresoare, variabile de frecvență/viteză pentru motoare, controlere programabile și iluminare fluorescentă.

reducerea
Unda trifazată AC - adăugați a treia armonică

Armonicile se pot strecura în sistemul dvs. de alimentare

Procentul de încărcări neliniare în clădirile de birouri și în instalațiile industriale a crescut în ultimul deceniu, deoarece iluminatul cu incandescență este înlocuit cu iluminatul fluorescent, deoarece mai multe computere și controlere programabile sunt conectate la sistemul electric și întrucât mai multe motoare electrice utilizează variatoare de frecvență variabilă (VFD). Perturbările armonice pot fi transmise și din rețea dacă aveți un condensator de filtrare a factorului de putere nefiltrat pe puterea dvs. de intrare.

Armoniile a treia sunt cauzate de sursele de alimentare din computere și balasturile electronice și pot duce la un curent neutru mai mare decât curenții de fază.

Armonica a cincea și a șaptea produse de redresoarele trifazate de pod în sursele de alimentare ale VFD-urilor cu șase impulsuri creează cupluri pulsatorii care pot provoca vibrații ale arborelui și pot deteriora rulmenții și cuplajele motorului.

Distorsiuni armonice mai mari pot duce, de asemenea, la declanșarea neplăcută a întreruptoarelor, la supraîncălzirea cablurilor și a echipamentelor și la defectarea prematură a echipamentelor electrice. Transformatoarele se pot supraîncălzi rapid și se pot defecta după schimbările de sarcină datorită înlocuirii sau adăugării de echipamente electrice, instalării VFD-urilor și modernizării balasturilor electronice. Siguranța fabricării instalațiilor poate fi expusă riscului.

Cât de rele sunt armonicile tale?

Standardul IEEE 519 oferă linii directoare pentru valori acceptabile ale distorsiunii armonice totale (THD). Se concentrează pe punctul de cuplare comună. Standardul urmărește, de asemenea, să limiteze deteriorarea condensatoarelor de corecție a factorului de putere (PFC) și a sistemelor de filtrare a armonicelor de la armonici excesive și să prevină rezonanța în serie sau paralelă în sistemul electric.

Scopul este de a limita THD la mai puțin de 5% în cazul în care un sistem industrial de alimentare este conectat la rețeaua de utilități. Dacă valorile THD depășesc valorile IEEE 519, este important să stabiliți dacă armonicele cauzează probleme.

Armoniile și un factor de putere slab ar putea să vă coste bani

Armonicele și factorul de putere nu sunt direct legate, dar luarea de măsuri pentru a vindeca factorul de putere ar putea spori problema armonicilor. Factorul de putere este raportul (de la -1 la +1) al puterii reale utilizate de sarcină în comparație cu puterea aparentă disponibilă în circuit. O schimbare de la unitatea sau factorul de putere de la 1 la un alt număr care conduce sau întârzie înseamnă că curentul este deplasat în raport cu tensiunea aplicată.

Un factor de putere 1 înseamnă că nu se pierde sau distorsionează curentul. Un factor de putere 1 spune că tot curentul începe să facă o muncă utilă. Orice număr mai mic de 1 indică faptul că o parte din tensiunea aplicată intră în forme magnetice sau în alte forme de energie care nu se pierd, dar când este redată, schimbă curentul. Un factor de putere scăzut înseamnă că nu utilizați pe deplin energia electrică pe care o cumpărați atunci când utilitatea dvs. locală percepe o „penalizare pentru factorul de putere” sau vă facturează pentru utilizarea kVA în locul cererii dvs. de KW. Acest curent este crescut și provoacă pierderi de sistem, iar acest lucru încearcă utilitatea să acopere aceste pierderi cu taxe mai mari de cerere sau penalități pentru factorul de putere.

Pentru a înțelege factorul de putere, să ne uităm la un pahar de bere. Sticla reprezintă puterea aparentă sau kVA. Berea reală din pahar este puterea reală sau kW. Orice spumă din partea de sus a paharului este puterea reactivă sau kVAR. Nu efectuează lucrări utile, dar este folosit pentru a menține un flux magnetic în motoare, de exemplu.

Cu cât ai mai multă spumă, cu atât ai mai puțină bere, dar tot ai plătit pentru un pahar plin. În mod similar, compania dvs. de utilități vă va taxa pentru puterea aparentă, care este suma puterii reale plus puterea reactivă.

Reducerea armonicilor și creșterea factorului de putere

Un audit energetic aprofundat efectuat de un inginer electric poate produce recompense impresionante la îmbunătățirea factorilor de putere. Dar fără îndrumare de către experți, încercările de a vă îmbunătăți factorul de putere vă pot agrava armonicele. Instalarea unor componente precum condensatoarele pentru corectarea factorului de putere poate amplifica de fapt distorsiunea tensiunii de rezonanță armonică. Acest lucru poate provoca creșteri ale tensiunii la bornele condensatorului și poate duce la defectarea prematură a acestora. Chiar elementul instalat pentru a reduce penalizările factorului de putere (condensatorul) s-ar putea autodistruge deoarece curenții armonici sunt amplificați doar de condițiile electrice potrivite ale sistemului.

Dacă nu aveți mai mult de 20% din sarcina electrică de la generatoarele de armonici și nu există condensatori de corecție a factorului de putere, nu ar trebui să aveți probleme armonice semnificative.

Cu toate acestea, dacă condensatoarele de corecție a factorului de putere nefiltrate sunt instalate pe un sistem cu generatoare armonice semnificative, Matrix poate analiza susceptibilitatea sistemului de alimentare electrică al instalației dvs. la distorsiunea armonică totală. De asemenea, putem revizui multitudinea tarifelor de utilitate și putem determina dacă costurile dvs. sunt afectate în mod semnificativ de un factor de putere slab.

Matrix Technologies este una dintre cele mai mari companii de proiectare independentă, inginerie de sisteme de alimentare, inginerie de automatizare industrială și companii de management al operațiunilor de fabricație din America de Nord. Pentru a afla mai multe despre capacitățile sistemului nostru de energie electrică și despre soluțiile de control al proceselor de fabricație, contactați Vince Trejchel, PE.