"Non linearità significa che è difficile da risolvere", ha detto una volta Arthur Mattuck, un matematico del Massachusetts Institute of Technology (MIT).Ma dovrebbe essere affrontato quando la non linearità viene applicata ai carichi elettrici, perché genera correnti armoniche e influisce negativamente sulla distribuzione dell'energia, ed è costosa.Qui, Marek Lukaszczyk, Marketing Manager per l'Europa e il Medio Oriente di WEG, un produttore e fornitore globale di tecnologia per motori e azionamenti, spiega come mitigare le armoniche nelle applicazioni degli inverter.
Lampade fluorescenti, alimentatori switching, forni elettrici ad arco, raddrizzatori e convertitori di frequenza.Tutti questi sono esempi di dispositivi con carichi non lineari, il che significa che il dispositivo assorbe tensione e corrente sotto forma di impulsi brevi e improvvisi.Sono diversi dai dispositivi con carichi lineari, come motori, stufe, trasformatori sotto tensione e lampadine a incandescenza.Per i carichi lineari, la relazione tra le forme d'onda della tensione e della corrente è sinusoidale e la corrente in qualsiasi momento è proporzionale alla tensione espressa dalla legge di Ohm.
Un problema con tutti i carichi non lineari è che generano correnti armoniche.Le armoniche sono componenti di frequenza solitamente superiori alla frequenza fondamentale dell'alimentatore, tra 50 o 60 Hertz (Hz), e si sommano alla corrente fondamentale.Queste correnti extra provocheranno la distorsione della forma d'onda della tensione del sistema e ne ridurranno il fattore di potenza.
Le correnti armoniche che scorrono nel sistema elettrico possono produrre altri effetti indesiderati, come la distorsione della tensione nei punti di interconnessione con altri carichi e il surriscaldamento dei cavi.In questi casi, la misurazione della distorsione armonica totale (THD) può dirci quanta distorsione della tensione o della corrente è causata dalle armoniche.
In questo articolo studieremo come ridurre le armoniche nelle applicazioni degli inverter sulla base delle raccomandazioni del settore per il corretto monitoraggio e l'interpretazione dei fenomeni che causano problemi di qualità dell'energia.
Il Regno Unito utilizza la Engineering Recommendation (EREC) G5 dell'Energy Network Association (ENA) come buona pratica per la gestione della distorsione della tensione armonica nei sistemi di trasmissione e nelle reti di distribuzione.Nell'Unione Europea, queste raccomandazioni sono generalmente contenute nelle direttive sulla compatibilità elettromagnetica (EMC), che includono vari standard della Commissione elettrotecnica internazionale (IEC), come IEC 60050. IEEE 519 è solitamente uno standard nordamericano, ma vale la pena notare che IEEE 519 si concentra sui sistemi di distribuzione piuttosto che sui singoli dispositivi.
Una volta che i livelli armonici sono determinati mediante simulazione o misurazione, esistono molti modi per ridurli al minimo per mantenerli entro limiti accettabili.Ma qual è il limite accettabile?
Poiché non è economicamente fattibile o impossibile eliminare tutte le armoniche, esistono due standard internazionali EMC che limitano la distorsione della tensione di alimentazione specificando il valore massimo della corrente armonica.Sono lo standard IEC 61000-3-2, adatto per apparecchiature con una corrente nominale fino a 16 A (A) e ≤ 75 A per fase, e lo standard IEC 61000-3-12, adatto per apparecchiature superiori a 16 A.
Il limite sulle armoniche di tensione dovrebbe essere quello di mantenere il THD (V) del punto di accoppiamento comune (PCC) a ≤ 5%.PCC è il punto in cui i conduttori elettrici del sistema di distribuzione dell'energia sono collegati ai conduttori del cliente e qualsiasi trasmissione di energia tra il cliente e il sistema di distribuzione dell'energia.
Una raccomandazione di ≤ 5% è stata utilizzata come unico requisito per molte applicazioni.Questo è il motivo per cui in molti casi è sufficiente utilizzare un inverter con un raddrizzatore a 6 impulsi e una reattanza di ingresso o un induttore di collegamento a corrente continua (CC) per soddisfare la massima distorsione di tensione consigliata.Naturalmente, rispetto a un inverter a 6 impulsi senza induttore nel collegamento, l'utilizzo di un inverter con un induttore di collegamento CC (come il CFW11, CFW700 e CFW500 di WEG) può ridurre significativamente la radiazione armonica.
Altrimenti, ci sono molte altre opzioni per ridurre le armoniche di sistema nelle applicazioni inverter, che presenteremo qui.
Una soluzione per ridurre le armoniche consiste nell'utilizzare un inverter con un raddrizzatore a 12 impulsi.Tuttavia, questo metodo viene solitamente utilizzato solo quando è già installato un trasformatore;per più inverter collegati allo stesso DC link;o se una nuova installazione richiede un trasformatore dedicato all'inverter.Inoltre, questa soluzione è adatta per potenze solitamente superiori a 500 kilowatt (kW).
Un altro metodo consiste nell'utilizzare un inverter di azionamento a corrente attiva (CA) a 6 impulsi con un filtro passivo all'ingresso.Questo metodo può coordinare diversi livelli di tensione - tensioni armoniche tra media (MV), alta tensione (HV) e altissima tensione (EHV) - e supporta la compatibilità ed elimina gli effetti negativi sulle apparecchiature sensibili dei clienti.Sebbene questa sia una soluzione tradizionale per ridurre le armoniche, aumenterà la perdita di calore e ridurrà il fattore di potenza.
Questo ci porta a un modo più economico per ridurre le armoniche: utilizzare un inverter con un raddrizzatore a 18 impulsi, o in particolare un convertitore CC-CA alimentato da un collegamento CC tramite un raddrizzatore a 18 impulsi e un trasformatore sfasatore.Il raddrizzatore di impulsi è la stessa soluzione sia che si tratti di 12 o 18 impulsi.Sebbene questa sia una soluzione tradizionale per ridurre le armoniche, a causa del suo costo elevato, viene solitamente utilizzata solo quando è stato installato un trasformatore o è necessario un trasformatore speciale per l'inverter per una nuova installazione.La potenza è solitamente superiore a 500 kW.
Alcuni metodi di soppressione delle armoniche aumentano la perdita di calore e riducono il fattore di potenza, mentre altri metodi possono migliorare le prestazioni del sistema.Una buona soluzione che raccomandiamo è quella di utilizzare filtri attivi WEG con convertitori di frequenza a 6 impulsi.Questa è un'ottima soluzione per eliminare le armoniche generate da vari dispositivi
Infine, quando l'energia può essere rigenerata in rete o quando più motori sono azionati da un singolo collegamento CC, un'altra soluzione è interessante.Cioè, vengono utilizzati un'unità rigenerativa front-end attiva (AFE) e un filtro LCL.In questo caso il driver ha un raddrizzatore attivo in ingresso e rispetta i limiti consigliati.
Per gli inverter senza collegamento CC, come gli inverter CFW500, CFW300, CFW100 e MW500 di WEG, la chiave per ridurre le armoniche è la reattanza di rete.Questo non solo risolve il problema delle armoniche, ma risolve anche il problema dell'energia che viene immagazzinata nella parte reattiva dell'inverter e diventa inefficace.Con l'aiuto della reattanza di rete, è possibile utilizzare un inverter monofase ad alta frequenza caricato da una rete risonante per realizzare la reattanza controllabile.Il vantaggio di questo metodo è che l'energia immagazzinata nell'elemento di reattanza è inferiore e la distorsione armonica è inferiore.
Esistono altri modi pratici per gestire le armoniche.Uno è quello di aumentare il numero di carichi lineari rispetto ai carichi non lineari.Un altro metodo consiste nel separare i sistemi di alimentazione per carichi lineari e non lineari in modo che vi siano limiti di distorsione armonica totale di tensione diversi tra il 5% e il 10%.Questo metodo è conforme alle suddette raccomandazioni ingegneristiche (EREC) G5 e EREC G97, utilizzate per valutare la distorsione della tensione armonica di impianti e apparecchiature non lineari e risonanti.
Un altro metodo consiste nell'utilizzare un raddrizzatore con un numero maggiore di impulsi e immetterlo in un trasformatore con più stadi secondari.I trasformatori multi-avvolgimento con più avvolgimenti primari o secondari possono essere collegati tra loro in un tipo speciale di configurazione per fornire il livello di tensione di uscita richiesto o per pilotare più carichi in uscita, fornendo così più opzioni nella distribuzione dell'alimentazione e nel sistema di flessibilità.
Infine, c'è il funzionamento dell'azionamento rigenerativo dell'AFE sopra menzionato.Gli azionamenti in c.a. di base non sono rinnovabili, il che significa che non possono restituire energia alla fonte di alimentazione, soprattutto questo non è sufficiente, perché in alcune applicazioni il recupero dell'energia restituita è un requisito specifico.Se l'energia rigenerativa deve essere restituita alla fonte di alimentazione CA, questo è il ruolo dell'azionamento rigenerativo.I semplici raddrizzatori vengono sostituiti dagli inverter AFE e l'energia può essere recuperata in questo modo.
Questi metodi forniscono una varietà di opzioni per combattere le armoniche e sono adatti a diversi tipi di sistemi di distribuzione dell'energia.Ma possono anche risparmiare energia e costi in modo significativo in varie applicazioni e sono conformi agli standard internazionali.Questi esempi mostrano che fintanto che viene utilizzata la corretta tecnologia dell'inverter, il problema della non linearità non sarà difficile da risolvere.
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