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PUBLIC - 5058-CO900H
Considerações sobre Harmônicas
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
Copyright © 2015 Rockwell Automation, Inc. All Rights Reserved.PUBLIC 3Copyright © 2005 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Transformador Inversor Motor
Corrente harmônicas de rede
M
Sistema com Inversor
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Harmônicas -Tópicos
4
Definição.
Efeitos das correntes harmônicas
Medindo as harmônicas (onde ?)
Porque os inversores produzem harmônicas ?
Entendendo a IEEE-519
Variação das harmônicas em função da carga
Efeito das harmônicas sobre o fator de potência
Como minimizar as harmônicas
Ferramenta para estimar as harmônicas
Conclusão
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Definição
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De maneira facil e didática podemos dizer que...
A RSS da FFT
deve atender
a THD e a TDD
Recomendado pela IEEE no PCC
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O que são Harmônicas ?
7
Harmônicas são correntes parasitarias que vão se somar na correntefundamental.
Harmônicas causam a distorção de uma forma de onda puramente senoidal.
Harmônicas são multiplos inteiros da frequência fundamental de um sistema.
para um sistema em 50Hz , 5a. é 250Hz, 7a. é 350 Hz
para um sistema em 60Hz, 5a. é 300Hz, 7a. é 420 Hz
Total Harmonic Distortion (THD) é a maneira de quantificar a distorção total de uma forma de onda.
Todos os retificadores (cargas não lineares) produzem correntes harmônicas querealimentam o sistema de potência.
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Quem causa Harmônica ?
• Qualquer carga não-linear.
• Numa carga não-linear, a corrente não é proporcional na
tensão aplicada.
Carga Linear: Corrente e Tensão
são proporcionais.
VAN
IA
Carga não Linear: Corrente e Tensão
não são proporcionais.
VAN
IA
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Exemplos de Cargas lineares
• Motores
• Resistores de aquecimento
• Transformadores ( apos energização )
• Lampadas encandescentes, etc.
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Exemplos de Cargas não-lineares
• Lâmpadas Fluorecentes
• Fontes Chaveadas
• Fornos a Arco
• Retificadores, etc.
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Harmônicas em um Retificador Típico( 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 Harmônicas
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Efeitos das Correntes Harmônicas
13
Correntes harmônicas fluindo em um sistema elétrico irão produzir
distorções de tensão em vários pontos de interligação com outras cargas.
A distorção depende da:
impedância do sistema ;
amplitude das harmônicas injetadas no sistema ;
relação entre cargas lineares e cargas não-lineares ;
tipo de retificador utilizado (Ex : 6 Pulsos, 12 Pulsos, etc...)
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Causa raiz com outros equipamentos
14Copyright © 2011 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Harmônicas de
Corrente
causam
Distorção de Tensão
HARMONIC SOURCE
PLC
EQUIPMENT
TELEPHONE
EQUIPMENT
DATA
PROCESSING
CENTER
PCC
IH
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Efeito das correntes harmônicas
15
Problemas com harmônicas podem incluir :
Sobreaquecimento de componentes (motores, capacitores,
transformadores, etc…) ;
Aumento da corrente total limitando futuras ampliações do sistema elétrico
Mau funcionamento de equipamentos ;
Interferências no sistema telefônico ;
Medições incorretas, mau funcionamento dos relés de proteção de
sobrecarga ;
Harmônicas causam correntes adicionais que não produzem “trabalho” ;
Distorção da tensão de alimentação ;
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Medindo as Harmônicas (Onde ?)
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Medindo as Harmônicas
Ponto de acoplamento comum (PCC)• Geralmente onde o usuário se conecta com a concessionária
DIAGRAMA UNIFILAR
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Porque os inversores produzem harmônicas ?
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Topologia de um inversor de frequência
Converter
AC to DC
Inverter
DC to AC
DC
Bus
Filter
AC DriveA
C M
oto
r Outp
utA
C L
ine I
nput
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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
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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
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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
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Inversor sem reator no barramento CC
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
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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
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Copyright © 2005 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
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
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Copyright © 2005 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
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
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Importante
Harmônicas de corrente
criam
Distorção de tensão
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PUBLIC
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Entendendo a IEEE-519
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O que devemos fazer com as harmônicas?
Não é nem econômico nem desejável eliminar todas as harmônicas.
Guias práticos e análises são utilizados e/ou necessários para
determinar se ocorrerão problemas criados pela introdução de
harmônicas em um sistema.
Normas e Recomendações :
IEEE-519 (nos EUA e América do Sul)
IEC-555 (Europa e algumas áreas na América do Sul)
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Quais são 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 <11 11<=h<17 17<=h<23 23<=h<35 35<=h TDD (%)
<20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0
20<50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0
50<100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0
100<1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0
>1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0
Even harmonics are limited to 25% of the odd harmonic limits above
Isc=maximum short circuit current at PCC
Iload=maximum demand load current (fundamental frequency component) at PCC
Maximum Harmonic Current Distortion in Percent of Iload
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O objetivo da IEEE 519(Primeiro Mandamento)
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Quem é seu vizinho ?
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Quem é 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 <= 5%,
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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) <= 10%
V(THD) <= 5%
Customer A 300hp 6-P drives600hp linear loads
V(THD) <= 5%
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Atender a IEEE-519 no Inversor ???
É bom lembrar que a IEEE 519é uma recomendaçãopara sistemas de distribuiçãoe nãopara equipamentos
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Variação das Harmônicas em função da carga
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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 Fu
ll L
oa
d F
un
d. C
urr
en
t
Iharm
Ifund
I(THD)
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Efeito das Harmônicas no fator de potência
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P.F. Total = Fator de Deslocamento (Displacement P.F.) xFator de Distorção (Distortion P.F.)
As concessionárias medem o Fator de Potência Total.
A maioria dos fabricantes de inversores falam somente dofator de deslocamento (Displacement Power Factor).
E o Fator de Distorção, e o Fator de Deslocamento, são importantes ?
Fator de Potência
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Distortion Power Factor É o não alinhamento da Tensão e Corrente devido a distorção das formas de Onda.
Displacement Power Factor Defasagem entre Tensão e Corrente na passagem por zero.
Ambos são importantes e igualmente afetam
o fator de potência total !
2
1
1
1
THDI
IDF
rms
1cosIDF
O que são Fatores de Distorção e Deslocamento
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PUBLIC
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Como minimizar as harmônicas
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Relação entre Número de Pulsos dos
Retificadores e as Harmônicas
As Harmônicas características (h) em relação ao número de pulsos (n)
de um retificador é dado por :
h= k n 1
k = múltiplo do número de pulsos
Ex : 6 pulsos injeta 61= 5a. e 7a., 121 = 11a. e 13a.
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A amplitude (A) de uma dada harmônica é relacionada com o número de
pulsos por :
A = 1/h
quanto maior a ordem da harmônica, menor será sua
amplitude.
Ex : 5a. harmônica 1/5 = 20%, 7a. harmônica 1/7 = 13%.
Relação entre Número de Pulsos dos Retificadores e as Harmônicas
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Retificador de 6 pulsos5a e 7a Harmônicas
Retificador
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Através de um transformador alimentador com multiplos secundários.
O deslocamento de fase dos secundários é obtido por :
para um retificador de 12 pulsos, o deslocamento de fase deve ser 60/2=30° (Ex : enrolamentos em
no secundário e Y no terciário).
para um retificador de 18 pulsos, o deslocamento de fase entre enrolamentos do secundário serão de
20°, 0° e -20° (Ex : configuração dos enrolamentos em delta ou estrela).
windingsondaryofnumbershiftphase
_sec__
60_
Como atingir um maior número de pulsos ?
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Retificador de 12 pulsos11a e 13a Harmônicas
Rectificador de
12 Pulsos
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Retificador de 18 pulsos17a e 19a Harmônicas
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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
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THD típico em função do retificador
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Técnicas de Redução de Harmônicas
• Reator no Barramento CC do inversor (PowerFlex) ;
• Reator de Entrada ;
• Utilização de Filtros Ativos ou Passivos de Harmônicas ;
• Utilizar inversores com entrada ativa (Entrada AFE/PWM) ;
• Aumentar o número de pulsos do retificador. Ex : 12 ou 18 pulsos ;
• No caso de ter um número par de inversores de mesma potência e com
mesmo perfil de carga adotar um arranjo “pseudo “ 12 pulsos colocando
metade da carga num secundario em estrela e outra metade num
secundario em triangulo ;
• Aumentar as cargas lineares em relação às não-lineares, etc.
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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
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
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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 até 7%
Copyright © 2015 Rockwell Automation, Inc. All Rights Reserved.PUBLIC 56Copyright © 2005 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
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) típico de 3 à 6%
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Estrela-Triângulo (pseudo 12-Pulsos)
Solução para dois inversores.
Proporciona uma boa diminuição
do conteúdo harmônico.
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
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Custos das técnicas de redução de harmônicas
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, %
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Custos das técnicas de redução de harmônicas
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Active Filter
Passive Filter
18-Pulse
Active Front-End
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Custos das técnicas de redução de harmônicas -
2010
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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
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Exemplo IEEE-519
Recomendação : 5% de distorção harmônica de tensão.
Transformador de 250KVA c/ 6% de impedância alimentando um inversor
de 150HP.
Inversor sem reator no barramento CC : 6,55 % de distorção harmônica
(Acima do recomendado pela IEEE).
Inversor com Reator no Barramento CC : 4,87% de distorção harmônica
(Abaixo do recomendado pela IEEE).
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Tendências do mercado
12/18 Pulsos - muito bem aceitas no mercado
Geralmente pré-especificados ;
Tecnologia madura e simples ;
Solução mais barata acima de 150/ 200HP.
Filtros passivos
Solução competitiva para Inversores <150/200 HP ;
Tecnologia bem dominada.
Filtros ativos
Começando a aparecer nas especificações ;
Alto custo de aquisição.
AFE (Active Front End – Retificador ativo na entrada)
Muito bem aceito na Europa ;
Problema de custo na America do Norte e America Latina.
Obs : O preço do cobre e do aço silicio está aumentando muito e preço da eletrônica depotência está diminuindo.
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Ferramentas para avaliar sua THD
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Identificar o PCC e aplicar a técnica mais apropriada (barata) ;
Adicionar reatores AC (ou reator CC se possível) para inversores comretificadores de 6 pulsos ;
Considerar o uso de filtros ativos para sistemas com múltiplosinversores ;
No caso de existir um número par de inversores de mesma potência ecom mesmo perfil de carga, adotar um arranjo “pseudo 12 pulsos”colocando metade da carga no secundário em estrela e a outrametade no secundário em triângulo ;
Tentar separar os sistemas de alimentação para as cargas lineares enão-lineares e ter assim limites de THD de tensão diferentes (5% e10%).
Como atender a IEEE519
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Internet
Internet :
http://www.ab.com : Drives, Get Support, Softwares (Harmonic Calculator,
Energy Comparison, etc...), na mesma página tem tambem : Informações Técnicas
(Technical Inf), Artigos Técnicos (Technical Articles), etc...
http://www.rockwellautomation.com
http://www.rockwellautomation.com.br
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Seguindo estas recomendações, você deveráatingir um THD aceitável para sua operação !
Muito obrigado!
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