GW Instek Applicazione dell'alimentatore AC trifase: Simulazione dello squilibrio trifase

Un sistema di alimentazione AC trifase ideale presenta tensioni trifase con la stessa ampiezza, angoli di fase che differiscono di 120 gradi tra loro e un bus trifase infinito. Ma la realtà è spesso dura. I sistemi trifase hanno il problema dello squilibrio trifase. Questo articolo discuterà la definizione di squilibrio trifase, i danni causati dallo squilibrio trifase e come utilizzare l'alimentazione AC trifase per simulare un ambiente di test con squilibrio trifase, al fine di facilitare i test delle applicazioni correlate. Queste applicazioni includono alimentatori per risolvere lo squilibrio trifase; squilibrio trifase + inversione di fase e monitoraggio della mancanza di fase; motori a induzione trifase e convertitori di frequenza per il controllo dei motori.

Applicazione del sistema di distribuzione trifase a bassa tensione
Prendendo come esempio Taiwan, il sistema di distribuzione dell'energia a bassa tensione trifase comprende il collegamento 3Ф3W (220V V-V) e il collegamento 3Ф4W (220/380V), che insieme rappresentano il 16,4% del carico elettrico complessivo (vedi Tabella 1). Le applicazioni più comuni includono motori, pompe, ventilatori, compressori d'aria e altre applicazioni.
 

Tabella 1: Tipi di utenti elettrici e struttura del carico a Taiwan nel 2022 (il consumo di elettricità nel 2022 è di circa 279,45 miliardi di kWh)

Definizione di squilibrio trifase
Lo squilibrio trifase si riferisce al fatto che, in un sistema trifase, i valori efficaci delle onde fondamentali delle tensioni di linea non sono uguali tra loro o gli angoli di fase tra le tensioni di linea non sono uguali.

Le definizioni di squilibrio di tensione trifase sono principalmente suddivise in tre tipi: "Definizione vera", "Definizione NEMA" e "Definizione IEEE". Il metodo di calcolo è mostrato nella Tabella 2.

Esempio:
Prendendo come esempio le tensioni di linea di 380V, 390V e 370V, utilizzando la formula di definizione NEMA per il calcolo, la tensione media di linea è 380V e la deviazione massima dalla tensione media di linea è 380-380=0; 390-380=10, 380-370=10, e viene adottata la variazione massima di 10.
Tasso di squilibrio di tensione = 10/380 = 2,63%
 

Definizioni	Formula
Definizione vera	(Tensione di equazione negativa) (Tensione di equazione positiva)
Definizione NEMA
Definizione IEEE

Tabella 2: Formule per le tre definizioni di squilibrio di tensione trifase

Figura 1: La relazione tra NEMA e la definizione reale sotto diverse tensioni di linea
(prendendo come esempio NEMA 2%, 5%, 10% e 20%)

Tabella 3: La formula approssimativa tra la definizione NEMA e la definizione reale è estrapolata dalla Figura 1

La "definizione reale" è il rapporto tra la componente di tensione di sequenza negativa e la componente di tensione di sequenza positiva (%VUF). Poiché non può essere ottenuta direttamente tramite misurazione effettiva, nella pratica si utilizza spesso la "definizione NEMA" che misura il tasso di squilibrio della tensione di linea (%LVUR) oppure si misura la "definizione IEEE" del tasso di squilibrio della tensione di fase (%PVUR) per avvicinarsi alla "definizione reale". Lo standard americano ANSI C84.1_C.2 raccomanda che il tasso di squilibrio della tensione sia inferiore al 3% (a vuoto).

Cause dello squilibrio di tensione trifase
La principale causa di squilibrio: carico monofase. Grandi carichi monofase come ferrovie elettrificate, forni ad arco elettrico, saldatrici elettriche, ecc. hanno una distribuzione irragionevole di capacità e posizione elettrica nel sistema.

I pericoli dello squilibrio trifase
La tensione di alimentazione squilibrata aumenterà la perdita di calore e provocherà vibrazioni nelle apparecchiature elettriche (come i motori). Secondo due documenti di Bryan Glenn (Riferimento 3) ed Edvard Csanyi (Riferimento 4), entrambi hanno evidenziato che per ogni 1% di squilibrio di tensione generato, si crea un 6% - 10% di squilibrio di corrente. Prendendo come esempio un motore a induzione trifase da 5hp, 1.725 giri/min, 230V, 60Hz, l'impatto dello squilibrio di tensione sulle prestazioni del motore è riportato nella Tabella 4.
 

Tabella 4: L'impatto dello squilibrio di tensione su un motore a induzione trifase

I prodotti devono essere in grado di resistere allo squilibrio trifase o fornire misure preventive o protettive
Lo standard americano ANSI raccomanda che il tasso di squilibrio di tensione sia inferiore al 3% (senza carico), il che significa anche che il prodotto deve essere in grado di rispettare questa normativa. L'alimentatore AC viene utilizzato per simulare una tensione trifase sbilanciata per testare il DUT. Gli scenari di test includono la verifica del design nella fase di R&S e il test di invecchiamento nella fase di garanzia della qualità.

Può anche essere prevenuto o protetto attraverso prodotti come alimentatori che eliminano lo squilibrio trifase, relè di monitoraggio dell'asimmetria della tensione, della sequenza di fase e della perdita di fase (monitorano l'asimmetria della tensione, la sequenza di fase e la perdita di fase). Ad esempio: S8VK-WA e K8AK-PA di OMROM.


Le applicazioni sopra menzionate richiedono un'alimentazione AC trifase per fornire tensioni trifase sbilanciate; modificare l'angolo di fase; modificare la sequenza di fase per i test.

Figura 2: L'alimentatore AC della serie GW Instek ASR-6000 visualizza l'uscita di tensione trifase sbilanciata (sinistra)
e l'oscilloscopio misura l'onda di uscita (destra)

Figura 3: Caratteristiche importanti della serie ASR-6000