IEEE 519 92 vs 14

35
Harmonic and Energy Saving Solutions Power Quality You Can Trust | Real World Experience | A History of Innovation

Transcript of IEEE 519 92 vs 14

Page 1: IEEE 519 92 vs 14

Harmonic and Energy Saving Solutions

Power Quality You Can Trust | Real World Experience | A History of Innovation

Page 2: IEEE 519 92 vs 14

Today’s  Presenter  Al  Archambault,  Director  of  Sales  MIRUS  Interna9onal  Inc.  •  Over  45  years  of  VSD  applica9ons  experience  •  Graduate  of  Ryerson  University  in  Electrical  Technology  • Worked  with  Canada  Wire  and  Cable,  Klockner  Moeller,  Canron,  Relcon  Drives,  Siemens,  Teco  Whes9nghouse  and  MIRUS  Interna9onal  Inc.  

•  Al  has  been  happily  married  to  Fran  for  48  years.  Fran  and  Al  have  5  children  and  9  grandchildren.  

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       2  

2014 IEEE Std. 519 Changes and the Impact on Your Power System Design Consideration  

The linked image cannot be displayed. The file may have been moved, renamed, or deleted. Verify that the link points to the correct file and location.

Page 3: IEEE 519 92 vs 14

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

2014 IEEE Std. 519 Changes and the Impact on Your Power System Design Consideration  

By:  Al  Archambault       3  Wed.,  June  24,  2015  

This  presenta9on  is  not  an  extensive  analysis  of  the  differences  between  the  1992  version  and  the  2014  version  of  IEEE  519.              It  does  however  aXempt  to  provide  a  prac9cal  working  insight  on  the  differences  for  design  engineers  as  they    specify,  install  and  apply  low  voltage  Adjustable  Frequency  Drives  into  electrical  systems.  

We  must  remember  that  IEEE  519  is  not  an  enforceable  code.  IEEE  519  is  a  guideline  to  be  used  by    engineers  for  power  system  design  considera9ons.  Designers  must  use  their  experience,  along  with  the    IEEE  519  guidance  and  a  liXle  common  sense  when  wri9ng  specifica9ons  involving  the  installa9on  of    Adjustable  Frequency  Drives  today.    

Page 4: IEEE 519 92 vs 14

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       4  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

What  are  harmonics  

Quick  Review    

Page 5: IEEE 519 92 vs 14

STANDARD  PWM  VFD  

IGBT  ‘S  =  FAST  KNIFE  SWITCHES  

CONTROL  VOLTAGE    &  FREQUENCY  

DIODE  BRIDGE  

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       5  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

Converts  3  phase  AC  to  DC  Voltage  

Page 6: IEEE 519 92 vs 14

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       6  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

480  Volts  3  Phase  60  HZ  

640  Volts  DC  

Page 7: IEEE 519 92 vs 14

VFD  OUTPUT  LINE  TO  LINE  VOLTAGE      

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       7  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

Control  PWM  paXern    to  control  voltage  out  To  the  motor  windings    

Control  the  rate  of  posi9ve  and  nega9ve    half  cycles  to  control  frequency  

   

Keep  the  ra9o  of  Volts/HZ  constant  over  the  opera9ng  speed  rang  

Page 8: IEEE 519 92 vs 14

HOW  DO  WE  VARY  THE  SPEED  OF  A  STANDARD  AC  MOTOR?  

Speed = 120 x f P

Where: P = number of stator poles f = frequency of applied voltage

For example, a 4 pole, 480 Volt, 60 Hz, AC motor has a typical rated speed of : 120 x 60 = 1800 RPM ?

4

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       8  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

Page 9: IEEE 519 92 vs 14

640  Volts  DC  

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800Volts

30°

Commutation

The  only  9me  the  instantaneous  line  voltage  (        )  is  above  the    drives’  DC  Bus  (640)  Volts  is  in  the  peak  region  of  the  sine  wave.  

800  Volts  

Time  

90  º  

     640  

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       9  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

Page 10: IEEE 519 92 vs 14

640  Volts  DC  

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800Volts

30°

Commutation

The  only  9me  the  instantaneous  line  voltage  (        )  is  above  the    drives’  DC  Bus  (660)  Volts  is  in  the  peak  region  of  the  sine  wave.  

800  

90  º  

         640  

Volts  

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       10  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

Page 11: IEEE 519 92 vs 14

CAR  BATTERY  +   -­‐  

BATTERY    CHARGER  

120  Volts  AC  INPUT  

BATTERY  WITH  FULL  CHARGE  =  12.57  Volts  

BATTERY  CHARGER  CHARGING  VOLTAGE  14.0  VOLTS  

14.0  Volts    

12.57  Volts    

+   -­‐  

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       11  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

Page 12: IEEE 519 92 vs 14

HIGH PEAK VFD INPUT CURRENT CREATES HIGHER I2R STRESSES ON DIODE JUNCTIONS

Short time (2 msec) creates high peak Currents.

DRIVE INPUT VOLTAGE WITHOUT LINEATOR™

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       12  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

Page 13: IEEE 519 92 vs 14

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       13  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

THD  =  35%  

5%  AC  Line  Reactor  

𝐿𝑜𝑤𝑒𝑟    𝐼↑2 *R    Losses  in  conductors  And  windings  

VFD  

High  Eddy  current  losses  in  transformers  and    generators  

Page 14: IEEE 519 92 vs 14

Voltage  Flat-­‐topping  Caused  by  Nonlinear  Loads

Ø  Pulsed Current §  Switch-mode draws current only while

capacitor is charging Ø  Voltage Flat-topping

§  Pulsed current creates voltage drop at peak of voltage waveform

Voltage Current

Typical Circuit Diagram of Switch-mode Power Supply

Load

Lls

vac

iac

Rectifier Bridge

Switch-mode dc-to-dc converter

Smoothing Capacitor

Cf

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       14  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

Page 15: IEEE 519 92 vs 14

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       15  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

Torque  ≈     𝑉↑2      480  Volts  60  HZ  

336  Volts  60  HZ  

480  Volt,  3  Phase  60  HZ  

Must  keep  the  V/HZ  ra9o  Constant  as  the  Frequency    is  change  to  maintain  the  toque    capability  of  the  AC  induc9on    motors  since  Torque  ≈     𝑉↑2   

Full  Voltage  Across  The  Line  Motor  

?  

?  

Page 16: IEEE 519 92 vs 14

PWM  VFD’S  GENERATE  NONLINEAR  CURRENT  

THD(I)  =  75%  

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       16  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

Page 17: IEEE 519 92 vs 14

3-­‐Phase,  6-­‐Pulse  Rec?fier

120º   120º  

0º   180º   360º  

1          2          3            4          5          6  

VAN  

VBC                  VBA                  VCA                  VCB                  

VBN   VCN  

A  

B  

C  

VAB                   VAB                  VAC                   VAC                  Average  DC  Bus  voltage  (1.414  x  VRMS      less  ripple)  

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       17  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

Page 18: IEEE 519 92 vs 14

The Fourier Theorem, named after its discoverer, French mathematician Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830), can be simply paraphrased as: “Any waveform is made up of sine waves of different frequencies.” Sine waves of different frequencies can be combined to make up any arbitrary waveform. Of course, the big trick is knowing which frequencies and amplitudes to combine.

The  Fourier  Theorem  

Distorted Waveform

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       18  

Page 19: IEEE 519 92 vs 14

6-­‐PULSE  RECTIFIER  and  HARMONICS  

h = np 1, Ih = I h

+ _ For simple diode bridge rectifiers:

When, p = 6 h = -- 5,7,--,11,13,--,17,19... 0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25harmonic

% F

und.

. ia

Current Waveform and Spectrum

h = harmonic number p = # of pulses in rectification scheme n = any integer (1, 2, 3, etc.) Ih = magnitude of harmonic current

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       19  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

Page 20: IEEE 519 92 vs 14

Distorted Waveform

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

Harmonics  -­‐  Components  of  a  Distorted  Waveform

Fourier Series f(t) = Ao+A1sin(wt+θ1)+A2sin(2wt+θ2)+A3sin(3wt+θ3) ...

Fundamental - 60 Hz

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

5th Harmonic - 300 Hz

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

7th Harmonic - 420 Hz

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Resultant Waveform

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

Resultant Waveform

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2Resultant Waveform

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

Harmonic Spectrum

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13

Harmonic #

% o

f Fun

dam

enta

l

Harmonic Spectrum

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13

Harmonic #

% o

f Fun

dam

enta

l

Harmonic Spectrum

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13

Harmonic #

% o

f Fun

dam

enta

l

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

Page 21: IEEE 519 92 vs 14

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       21  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

For  THD(V)  =  8%    HVF  =  0.08  Dera9ng  Factor  =  0.89    

For  THD(V)  =  5%    HVF  =    0.05  Dera9ng  Factor  =  0.96  

NEMA  MG1  Part  30  Page  18  11.2  Dera9ng  for  Harmonic  Content  

Page 22: IEEE 519 92 vs 14

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       22  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

Submersible  Pump  Motor  Rotor  Damage  due  to  THD(V)  Slip  Losses  

Page 23: IEEE 519 92 vs 14

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       23  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

HIGH  CURRENT  DISTORTION  CAUSES  PROBLEMS  

1.)  Increases  Eddy  current  losses  in  transformers  and  generators.  

2.)  Increases  I    *R    losses  in  conductors  transformer  and  generator  windings.    

3.)  Causes  high  background  system  voltage  distor9on  (THD(V)).  

HIGH  BACKGROUND  SYSTEM  VOLTAGE  DISTORTION  (THD(V))  CAUSES  PROBLEMS  

1.)  Failures  of  switch  mode  power  supplies  on  PLC’s,  computers  and  instruments      

2.)  Generator  automa9c  voltage  regulator  malfunc9oning.  

3.)  Can  cause  false  readings  on  cri9cal  sensors  and  instrumenta9on  on  produc9on  lines.    

4.)  Increases  opera9ng  temperature  of  AC  Induc9on  Motor  Windings  and  Rotor  Bars  leading  to  premature  motor  failures.  

Page 24: IEEE 519 92 vs 14

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

2014 IEEE Std. 519 Changes and the Impact on Your Power System Design Consideration  

By:  Al  Archambault       24  Wed.,  June  24,  2015  

A.)     LIMITS  FOR  Current  Total  Demand  Distor9on  (TDD)  NO  CHANGE    

B1.)   LIMITS  FOR  THD(V)  

For  Volts  1001  to  69KV  B2.)  

For  Volts  =<  1000      

C.)   Point  of  Common  Coupling  

B3  )   Special  Loads  (  Hospitals  Airports)  and    Dedicated  Loads   (Eliminated)  

Page 25: IEEE 519 92 vs 14

NEW  IEEE  Std  519™    2014  Guideline   OLD  IEEE  Std  519™    1992  Guideline  ITEM  

A.)     LIMITS  FOR  Current  Total  Demand  Distor9on  TDD     LIMITS  FOR    Current  Total  Demand  Distor9on  TDD   No  Change  

Comments  

B1.)   LIMITS  FOR  THD(V)   For  Volts  =<  1000      

Ind            Max  

5%            8%  

For  Volts  1001  to  69KV  

Ind            Max  

3%            5%  

For  Volts  120  to  69KV  LIMITS  FOR  HD(V)  

Ind            Max  

3%            5%  

C.)   Point  of  Common  Coupling   Point  of  Common  Coupling  

PCC  2        THD(V)    5%  

PCC  1          THD(V)    5%  

PCC  2    THD(V)    5%  

PCC  1    THD(V)    8%  

MV   MV  T1  1000KVA   T1  1000KVA  

D.)   Special  Loads  (  Hospitals  Airports  Dedicated  Loads   Special  Loads  (  Hospitals  Airports  Dedicated  Loads  

(Eliminated)   THD(V)  Special  Loads  3%    Dedicated  Transformer  Loads  10%  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

By:  Al  Archambault       25  Wed.,  June  24,  2015  

B2.)  

Page 26: IEEE 519 92 vs 14

Old  IEEE  519™  1992  New  IEEE  519™  2014      

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

By:  Al  Archambault       26  Wed.,  June  24,  2015  

A.)     LIMITS  FOR  Total  Demand  Distor9on  (TDD)  Are  the  Same  

SAME   SAME  

Page 27: IEEE 519 92 vs 14

NEW  IEEE  Std  519™    2014  Guideline   OLD  IEEE  Std  519™    1992  Guideline  ITEM  

A.)     LIMITS  FOR  Total  Demand  Distor9on   LIMITS  FOR  Total  Demand  Distor9on   No  Change  

Comments  

B1.)   LIMITS  FOR  THD(V)   For  Volts  =<  1000      

Ind            Max  

5%            8%  

For  Volts  1001  to  69KV  

Ind            Max  

3%            5%  

For  Volts  120  to  69KV  LIMITS  FOR  HD(V)  

Ind            Max  

3%            5%  

C.)   Point  of  Common  Coupling   Point  of  Common  Coupling  

PCC  2        THD(V)    5%  

PCC  1          THD(V)    5%  

PCC  2    THD(V)    5%  

PCC  1    THD(V)    8%  

MV   MV  T1  1000KVA   T1  1000KVA  

D.)   Special  Loads  (  Hospitals  Airports  Dedicated  Loads   Special  Loads  (  Hospitals  Airports  Dedicated  Loads  

(Eliminated)   THD(V)  Special  Loads  3%    Dedicated  Transformer  Loads  10%  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

By:  Al  Archambault       27  Wed.,  June  24,  2015  

B2.)  

B3  )   Special  Loads  (  Hospitals  Airports)  and    Dedicated  Loads   *  Special  Applica9ons  were  Hospitals  and  Airports.  (Eliminated)  

Page 28: IEEE 519 92 vs 14

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       28  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

LIMITS  FOR  THD(V)  Have  Changed  Significantly  B1.  &  B2.  )  

New  IEEE  519™  2014  Special  Bus  Voltage  Range  added  V  ≤  1000V  Which  increased  allowable  THD(V)  from  5%  to  8%  

For  Bus  Voltages  above    1KV  up  to  to  69KV  THD(V)  is  s9ll  5%  

Old  IEEE  519™  1992  Had  Voltage  Range  120  to  69  KV    Which  called  for  THD(V)  of  3%  for  special  applica9ons  and  5%  For  general  systems  with  10%  allowed  for  dedicated  systems      

*  Special  Applica9ons  were  Hospitals  and  Airports.  B1.)  New  Limit  for  V  ≤  1000  Volts  Individual  5%  and  Total  8%  

B2.)  New  Limit  for  1001  to  69KV  Volts  Individual  3%  and  Total  5%  

Page 29: IEEE 519 92 vs 14

Old  IEEE  519™  1992  Special  Loads  and  Dedicated  Transformer  Load  THD(V)  Levels  

New  IEEE  519™  2014  Special  Loads  and  Dedicated  Transformer  Load  THD(V)  Levels  Eliminated  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

By:  Al  Archambault       29  Wed.,  June  24,  2015  

B3.)   LIMITS  FOR  THD(V)  Have  Changed  Significantly  

B3  )   Special  Loads  (  Hospitals  Airports)  and    Dedicated  Loads  (Eliminated)  

Page 30: IEEE 519 92 vs 14

NEW  IEEE  Std  519™    2014  Guideline   OLD  IEEE  Std  519™    1992  Guideline  ITEM  

A.)     LIMITS  FOR  Total  Demand  Distor9on   LIMITS  FOR  Total  Demand  Distor9on   No  Change  

Comments  

B1.)   LIMITS  FOR  THD(V)   For  Volts  =<  1000      Ind            Max  5%            8%  

For  Volts  1001  to  69KV  Ind            Max  3%            5%  

For  Volts  120  to  69KV  LIMITS  FOR  HD(V)  

Ind            Max  

3%            5%  

C.)   Point  of  Common  Coupling   Point  of  Common  Coupling  

PCC  2        THD(V)    5%  

PCC  1          THD(V)    5%  

PCC  2    THD(V)    5%  

PCC  1    THD(V)    8%  

MV   MV  

T1  1000KVA   T1  1000KVA  

B3.)   Special  Loads  (  Hospitals  Airports  Dedicated  Loads   Special  Loads  (  Hospitals  Airports  Dedicated  Loads  (Eliminated)   THD(V)  Special  Loads  3%    Dedicated  Transformer  Loads  10%  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

By:  Al  Archambault       30  Wed.,  June  24,  2015  

B2.)  

Page 31: IEEE 519 92 vs 14

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       31  

 Point  on  a  public  power  supply  system,  electrically    nearest  to  a  par9cular  load,  at  which  other  loads    are  or  could  be  connected.  The  PCC  is  a  point  located  upstream  of  the  considered  installa9on.    The  recommended  prac9ce  should  be  applied    at  interface  points  between  system  owners  or  operators  and  users  in  the  power  system.  The  PCC  is  usually  taken  to  be  a  point  between  the  system  owner  and  a  system  user  where  the  system  owner  or  operator  could  offer  service  to  another  user.  Frequently  for  large  industrial  plants  this  point  is  at  the  MV  side  of  a  distribu9on  transformer.  For  commercial  users  (office  parks,  shopping  malls,  etc.)  the  PCC  is  on  the  LV  secondary  side  of  the  service  transformer.    The  recommended  limits  should  be  applied  at  the  PCC  and  should  not  be  applied  to  either  individual  pieces  of  equipment  or  at  loca9ons  within  a  user’s  facility.  

New  IEEE  519™  2014  Point  of  Common  Coupling  (PCC)      

Old  IEEE  519™  1992  Point  of  Common  Coupling  (PCC)      

     A  point  of  metering,  or  any  point  as  long  as  both  the  u9lity  and  the  consumer  can  either  access  the  point  for  direct  measurement  of  the  harmonic  indices  meaningful  to  both  or  can  es9mate  the  harmonic  indices  at  point  of  interference.      

                           Within  an  industrial  plant  the  PCC  is  the  point  

between  the  nonlinear  load  and  the  other  loads.  

. Defini9on:  Defini9on:  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  C.)  Point  of  Common  Coupling  

Page 32: IEEE 519 92 vs 14

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       32  

A

Page 33: IEEE 519 92 vs 14

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

2014 IEEE Std. 519 Changes and the Impact on Your Power System Design Consideration  

By:  Al  Archambault       33  Wed.,  June  24,  2015  

1.)  The  current  distor9on  limits  have  not  changed.  Remember  it’s  the  current  distor9on  that    affects  the  level  of  THD(V)  at  various  points  in  a  given  system.  

2.)  THD(V)  limits  were  relaxed  for  systems  rated  <1000  Volts  to:    Ind.  harmonics  to  be  <5%  from  <3%  and  to  be  <8%  from  <5%  for  THD(V).  Also  special  applica9on  limits  for  hospitals  and  airports  have  been  eliminated  meaning    IEEE  519  acceptable  limits  for  THD(V)  in  hospitals  or  airports  is  now  <8%    instead  of  <3%)    

3.)  The  PCC  is  usually  taken  to  be  a  point  between  the  system  owner  and  a  system  user  where  the  system    owner  or  operator  could  offer  service  to  another  user.  Frequently  for  large  industrial  plants  this  point  is  at    the  MV  side  of  a  distribu9on  transformer.  For  commercial  users  (office  parks,  shopping  malls,  etc.)  the  PCC    is  on  the  LV  (<1000Volts)  secondary  side  of  the  service  transformer.  The  recommended  limits  should  be  applied  at  the  PCC  and  should  not  be  applied  to  either  individual  pieces  of  equipment  or  at  loca9ons  within    a  user’s  facility    4.)  Remember  IEEE  519  is  not  an  enforceable  code.  IEEE  519  is  a  guideline  to  be  used  by  engineers    for  power  system  design  considera9ons.  It  is  s9ll  up  to  the  individual  design  engineer  to  use  experience,  and  common  sense  when  wri9ng  specifica9ons  for  a  given  power  system.    

Page 34: IEEE 519 92 vs 14

Wed.,  June  24,  2015   By:  Al  Archambault       34  

IEEE519  1992  vs  IEEE  519  2014  

Thank  you  for  aXending.  Ques9ons?  

Page 35: IEEE 519 92 vs 14

© 2014 Mirus International | All Rights Reserved

To learn more and to download the FREE SOLV

software, please visit www.mirusinternational.com/

If you have further questions

please contact Al Archambault at

[email protected] Or call at +416 617 9760