Общо хармонично изкривяване (THD) в електрозахранващите системи на производството

Общо хармонично изкривяване (THD) е мярка за това доколко вълновата форма на напрежение или ток се отклонява от чиста синусоида, изразена като процент от основната хармонична компонента. В производствен цех пълен с VFD, заваръчни апарати и захранвания с превключване, THD не е академично число.

То се проявява като двигатели, които работят горещи при номинално натоварване, трансформатори, които трябва да се експлоатират с понижен капацитет спрямо табелния им номинал, и прекъсвачи, които сработват без очевидно претоварване.

Какво всъщност измерва THD

Всяка променливотокова вълнова форма може да бъде разложена на основна честота (50 или 60 Hz) плюс серия хармоници на цели кратни на тази основна (2-ра, 3-та, 5-та, 7-ма и т.н.). THD е отношението на комбинираната ефективна (RMS) стойност на всички хармонични компоненти към RMS стойността на основната, изразено като процент. Перфектната синусоида има 0% THD. Комуналните дружества и инженерите на съоръжения следят две свързани, но различни величини:

• Напреженчески THD (THDv), изкривяването на формата на напрежението в дадена точка.
• Токово TDD (Total Demand Distortion), хармоничното изкривяване на тока, измерено спрямо тока на максималното търсене (максималния токоразход), а не спрямо моментната основна компонента, което предотвратява изкуствено високи проценти при леко натоварени вериги.

Как VFD и нелинейните товари създават хармоници

Стандартен инвертор (VFD) не черпи ток със синусоидална форма. Неговият входен токоизправител зарежда кондензаторния блок на DC шината и токът от AC източника тече само в къси импулси близо до върховете на всяка полувълна, когато входното напрежение превиши напрежението на кондензатора. Това пулсиращо извличане е класически нелинеен товар.

За често срещания трифазен, шест-импулсен токоизправител на VFD тези пулси създават характерни хармоници от ред h = 6n ± 1, тоест 5-та, 7-ма, 11-та, 13-та и т.н. На практика 5-тата хармоника обикновено е най-големият приносител, често в диапазона 25, 40% от основния ток, а 7-мата типично е около 15, 25%.

Комбинирано, недостатъчно защитен шест-импулсен привод може да представи токов THD някъде между приблизително 35% и 80%, в зависимост от натоварването на задвижването, импеданса на източника и дизайна на DC шината.

Други чести нелинейни товари в цеха, като захранвания с превключване, дъгови заваръчни апарати и електронни стартери (баласи), допринасят за същия вид нечетни хармонични изкривявания, поради което THD в модерно съоръжение рядко се дължи само на една машина.

IEEE 519: граници за напрежение и ток

IEEE 519 е стандартната практика, към която повечето електроразпределителни дружества и инженерни спецификации се отнасят при контрол на хармониците. Той задава отделни граници за изкривяване на напрежението (системна мярка за качество) и за изкривяване на тока (колко един отделен клиент може да вкара в точката на обща връзка, PCC).

За тока IEEE 519 използва TDD вместо прост THD, като допустимият процент се мащабира спрямо съотношението на наличния късозамкващ ток към тока на максималното търсене (Isc/IL) в PCC, по-здрава връзка получава по-голямо позволено отклонение.

За най-често срещания индустриален случай, при който съотношението Isc/IL е под 20, стандартът ограничава токовия TDD до 5.0%, с по-строги граници за отделните хармонични редове, групирани в 3-та до 9-та, 11-та до 15-та, 17-та до 21-ва, 23-та до 33-та и 35-та до 50-та.

Практическият извод за инженера на съоръжението: цифрите 5% напреженчески THD и 5% TDD са двата показателя, които електроразпределителното дружество или консултантът всъщност ще проверят.

Защо това има значение за двигатели и трансформатори

Хармоничните напрежения и токове причиняват реални термични и механични повреди с течение на времето.

• Двигатели получават допълнително нагряване от хармонични токове, които не извършват полезна работа, но все пак генерират I²R загуби в намотките на статора, плюс пикове в въртящия момент и повишена вибрация от хармонично-индуцираните магнитни полета. Продължителното излагане скъсява живота на изолацията и може да тласне двигателя към режими на повреда, описани в указанията за класове изолация на моторите и анализ на повреди на лагерите.
• Трансформатори търпят увеличени загуби от вихрови токове и паразитни загуби, защото тези загуби нарастват пропорционално на квадрата на честотата на хармониците. Трансформатор, който захранва тежък нелинеен товар, често трябва да бъде експлоатиран с понижен номинал спрямо табелката си или да бъде заменен с K-класиран агрегат, проектиран за хармонична работа, за да се избегне прегряване над възможностите на изолационната му система.
• Ефект на кожата измества хармоничните токове с по-висока честота към външната повърхност на проводника, намалявайки ефективното сечение, което носи тока, и добавя допълнително I²R нагряване в кабелите и особено в споделените нулеви проводници, носещи хармониците, кратни на 3 (т.нар. triplen хармоници) от еднофазни нелинейни товари.

Неудобни сработвания и други симптоми

Хармониците също причиняват проблеми, които на пръв поглед не се виждат в документацията. Прекъсвачите и предпазителите реагират на пик или RMS ток, и изкривената вълнова форма с остри токови импулси може да предизвика изключване на прекъсвач, дори когато средното или табелно натоварване е далеч под капацитета.

Кондензаторите за корекция на фактора на мощността са особено уязвими: техният импеданс спада с нарастване на честотата, така че те могат да черпят непропорционално хармоничен ток и, в най-лошия случай, да резонират с индуктивността на системата на хармонична честота, усилвайки изкривяването вместо да го компенсират.

Симптоми, които е добре да се свържат с коренна причина THD, включват необясними изключвания на прекъсвачи, претоварване на предпазители в кондензаторни банки, повишени температури на нулевия проводник и двигатели, които работят горещи въпреки нормални показания за натоварване

някои от същите електрически стресови модели, които се срещат при условия на еднофазиране и общи проблеми с качеството на енергията в производството .

Смекчаване: реактори, филтри и топология на задвижването

Изборът на мерки за смекчаване зависи от това колко далеч е съоръжението от своята цел, а не от универсално решение.

• Линейни реактори (обикновено с импеданс 3% или 5%) са най-простото и евтино решение. Добавянето на серийна индуктивност преди VFD изглажда токовите импулси и обикновено намалява токовия THD от порядъка на 80% до приблизително 30, 40%, често достатъчно да доведе отделно задвижване близо до съответствие и да намали нежеланото нагряване и сработвания.
• Дросели на DC шината постигат сходен ефект на изглаждане в самия задвижващ модул и са често предлагани като стандартна или нискобюджетна опция при модерни VFD.
• Пасивни хармонични филтри (настроени капани) целят конкретни проблемни хармоници, обикновено 5-тата, и могат да понижат изкривяването повече отколкото само реактор, въпреки че трябва да се оразмеряват внимателно, за да не преместят точката на резонанс.
• Многопулсови задвижвания (12-импулсни или 18-импулсни конфигурации на токоизправителя) неутрализират определени хармонични редове чрез фазоизмествателни трансформатори. 12-импулсно задвижване обикновено намалява токовото изкривяване до приблизително 10%. 18-импулсно задвижване типично се специфицира за достигане на около 5% токово изкривяване, въпреки че полеви измервания често показват по-скоро 8, 10% след като се вземат предвид реалните натоварвания и условия на източника.
• Активни хармонични филтри инжектират компенсираща вълнова форма в реално време и могат да приведат целия фидер или съоръжение в рамките на TDD лимита на IEEE 519 независимо от това колко задвижвания ще бъдат добавени по-късно, при по-висока цена в сравнение с пасивните опции.

Правилното решение зависи от това дали целта е защитата на едно задвижване от самопроизволни изключвания или привеждането на точката на обща връзка (PCC) на цялото съоръжение в съответствие с IEEE 519 за изисквания към захранващото дружество.

Улавяне на щети, преди да стане повреда

THD е невидимо за стандартен амперметър, което е точно причината за толкова много необясними повреди на двигатели и трансформатори.

Вибрационните и термалните признаци от хармонично свързано нагряване и пулсации в въртящия момент често се проявяват много преди навивка или лагер реално да се повреди, същото ранно предупредително прозорче, разглеждано в термография спрямо вибрационен анализ .

Fabrico чете състоянието на машината и OEE директно от линия и автоматично насочва заявка за работа в момента, в който се открие загуба, използвайки компютърно зрение за улавяне на това, което фиксираните сензори пропускат, всичко разработено и хоствано в ЕС със съхранение на данни в ЕС и сертификациите ISO 27001, ISO 20000-1 и ISO 9001.

Насрочете демонстрация на Fabrico , за да го видите на вашето оборудване.

Често задавани въпроси

Какво е добро ниво на THD в производствено предприятие?

Според IEEE 519 напреженческият THD в точката на обща връзка трябва да остане на или под 5% за системи до 69 kV, а токовият TDD трябва да остане на или под 5% за най-често срещаните индустриални съотношения на късо съединение. Отделни съоръжения или условия на свързване към разпределителната мрежа може да задават по-строги ограничения.

Е ли THD същото като TDD?

Не. THD обикновено се използва за напрежение и изразява хармоничното съдържание спрямо основната стойност в момента на измерване. TDD (Total Demand Distortion) се използва за ток и изразява хармоничното съдържание спрямо тока на максималното търсене, което запазва метриката стабилна дори когато задвижването работи при частично натоварване.

Всички ли VFD произвеждат едно и също количество хармонично изкривяване?

Не. Един стандартен шест-импулсен привод без смекчаващи мерки може да представи токов THD от приблизително 35% до 80%. Добавянето на линейни реактори обикновено сваля това до диапазона 30, 40%, докато 12-импулсни, 18-импулсни или активни входни топологии могат да доведат до значително по-ниски стойности.

Могат ли хармониците да повредят оборудването, дори ако заводът никога не губи захранване?

Да. Хармоничното нагряване в двигатели и трансформатори, заедно с нежеланите изключвания на прекъсвачи и стреса върху кондензаторните банки, е бавен, кумулативен режим на повреда. Оборудването може да работи месеци наред, докато тихо губи живот на изолацията, преди да настъпи явна повреда.