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Hernan Escarria, PTI – Santiago de Chile 2012 Transformadores para aplicaciones especiales Presencia de Armonicos Factor K © ABB Group May 17, 2012 | Slide 1 Cargas no lineales Influencia en los transformadores © ABB Group May 17, 2012 | Slide 2 Las cargas no lineales son todas aquellas que generan corrientes no sinusoidales, es decir, corrientes que además de la componente fundamental tienen otras que son múltiplos enteros de la fundamental y que se conocen como armónicos. Cargas no lineales Influencia en los transformadores © ABB Group May 17, 2012 | Slide 3 Este tipo de cargas ha existido en los sistemas eléctricos desde el principio, principalmente eran de tipo magnético, como las corrientes de excitación de los transformadores y los balastos magnéticos de luminarias tipo fluorescente. Su influencia en el sistema eléctrico era escasa. Cargas no lineales Influencia en los transformadores © ABB Group May 17, 2012 | Slide 4 La aparición de la electrónica ha mejorado mucho las propiedades de los productos pero ha traído consigo, entre otros problemas, la generación de armónicos. Cargas no lineales Influencia en los transformadores © ABB Group May 17, 2012 | Slide 5 RECTIFICADORES Cargas no lineales Influencia en los transformadores © ABB Group May 17, 2012 | Slide 6 Los fabricantes de variadores de frecuencia de motores de inducción explican como estos equipos mejoran la eficiencia de las máquinas permitiendo variar la velocidad de funcionamiento según las necesidades de la aplicación, pero advierten que éstos producen armónicos de orden 5, 7, 11, 13… El orden característico de Armónicos (h) en el lado de la línea con relación al número de pulsos del rectificador (p) : h= n x p ±1 (n=1,2,3... Cualquier número entero), Un rectificador de 6 pulsos produce 6-1=5°, 6+1=7°, 12-1=11°, 12+1=13° armónicos de corriente (en el caso ideal) Un rectificador de 12 pulsos produce 12-1=11°, 12+1=13°, 241=23° and 24+1=25° armónicos de corriente (en el caso ideal) Cargas no lineales Influencia en los transformadores © ABB Group May 17, 2012 | Slide 7 Cargas no lineales Influencia en los transformadores © ABB Group May 17, 2012 | Slide 8 Cargas no lineales Influencia en los transformadores © ABB Group May 17, 2012 | Slide 9 Una manera de reducir armónicos es con conexiones del transformador Número de pulsos se puede aumentar mediante la aplicación de varios grupos de 6 pulsos con un desplazamiento de la fase de las tensiones de alimentación. 30 grados de desfase se puede obtener mediante el uso de la conexión básica de grupos de bobinas (Y y D) Desfases distintos de 0 °, 30 ° (o múltiplos) requiere un desfase especial. Las más comunes son las conexiones Z y "delta extendida“ A medida que la potencia de los armónicos aumenta el desempeño de la red se vuelve más crítico Cargas no lineales Influencia en los transformadores / Conexiones © ABB Group May 17, 2012 | Slide 10 Cargas no lineales Influencia en los transformadores Problemas de los armónicos. Se observó, que a medida que aumentaban las cargas electrónicas, los transformadores funcionaban con ruidos y un calentamiento excesivo, e incluso que se quemaban al cabo de uno o dos años. Algunos se preguntaban: ¿Quizás los fabricantes de transformadores habían abaratado costos introduciendo materiales de baja calidad?. NO. Los transformadores eran los mismos, la causa estaba en los armónicos. © ABB Group May 17, 2012 | Slide 11 Cargas no lineales Influencia en los transformadores © ABB Group May 17, 2012 | Slide 12 Problemas de los armónicos. Las corrientes armónicas elevan las pérdidas adicionales en los bobinados, barras de conexión, bridas del núcleo y paredes del tanque principal, que pueden conducir a problemas térmicos como el envejecimiento prematuro del transformador. Grado de severidad depende del tipo de unidad rectificadora, de carga y el diseño del transformador. El diseño de los devanados debe ser capaz de soportar tensiones mecánicas / térmicas debidas a la distribución de la temperatura más desigual que con corriente sinusoidal única ("efecto final"). Los puntos calientes localizados se deben evitar y cada arrollamiento necesita ser analizado por separado. El aumento de la temperatura debido al aumento de las pérdidas a causa de las componentes armónicas debe estar dentro de los límites especificados para el aumento de la corriente de carga real Transformadores en Presencia de Armonicos NORMAS © ABB Group May 17, 2012 | Slide 13 Definiciones de acuerdo a IEEE 519 Point of common coupling (PCC) – El PCC está definido como la interfase entre la electrificadora (Fuente) y el cliente (Carga), vease PCC1. Muy a menudo, la IEEE 519 es “Mal Empleada” y el PCC es definido dentro de la red del cliente (vease PCC2), donde coincide con el In-plant point of coupling (IPC). Utility Network PCC 1 Substation Transformer MV Bus IPC PCC 2 Converter Input Transformer Other Loads Other Loads Converter © ABB Group May 17, 2012 | Slide 14 Definiciones de acuerdo a IEEE 519 Total Harmonic Distortion factor (THD) – Relación del valor RMS del contenido de voltaje armónico al valor RMS de la componente fundamental de voltaje ….. expresado como porcentaje de la fundamental. 50 THD = ∑V h=2 2 h *100 V1 Total Demand Distortion factor (TDD) Relación del valor RMS del contenido de corriente armónica al valor RMS de la com- ponente fundamental de corriente ….. expresado como porcentaje de la fundamental. ∞ TDD = ∑I h=2 I1 © ABB Group May 17, 2012 | Slide 15 2 h *100 Definiciones de acuerdo a IEEE 519 La relación ISC/IL es la relación de la corriente de cortocircuito disponible en el punto común de acople (PCC) a la máxima corriente que damanda de carga al correspondiente sistema. Utility Network PCC 1 Substation Transformer MV Bus IPC PCC 2 Converter Input Transformer Other Loads Other Loads Converter © ABB Group May 17, 2012 | Slide 16 Definiciones de acuerdo a IEEE 519 Voltage Distortion Limits for Utilities Bus voltage at PCC 69kV and below 69.001 kV through 161kV 161.001kV and above Max. individual Voltage distortion (%) 3.0 1.5 1.0 Total Voltage distortion THD (%) 5.0 2.5 1.5 The limits listed above should be used as system design values for the “worst case” for normal operation (conditions lasting longer than one hour). For shorter periods, during start-ups or unusual conditions, the limits may be exceeded by 50%. 50 THD = ∑V h=2 V1 © ABB Group May 17, 2012 | Slide 17 2 h *100 Definiciones de acuerdo a IEEE 519 Current Distortion Limits for 6-pulse rectifiers Isc/IL <20* 20<50 50<100 100<1000 >1000 Maximum Harmonic Current Distortion in % of IL Individual Harmonic order h <11 11<=h<17 17<=h<23 23<=h<29 29<=h<35 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 TDD 5.0 8.0 12.0 15.0 20.0 Even harmonics are limited to 25% of the odd harmonic limits above Current distortion that result in a DC-offset, e.g. half-wave converters, are not allowed * All power generation equipment is limited to these values of current distortion, regardless of Isc/IL Where Isc = maximum short-circuit current at PCC IL = maximum demand load current (fundamental frequency component) at PCC ∞ TDD = ∑I h=2 I1 © ABB Group May 17, 2012 | Slide 18 2 h *100 Definiciones de acuerdo a IEEE 519 In case that phase shift transformers or converters with pulse numbers (q) higher than 6 are used, the limits for the characteristic harmonic orders are increased by a factor F equal to q F= 6 provided that the amplitudes of the noncharacteristic orders are less than 25% of the limits specified in the table for the 6-pulse rectifiers Example: For a 12-pulse rectifier the characteristic harmonics (11th,13th, 23rd, 25th,…) can be increased by a factor F = 12 = 2 6 © ABB Group May 17, 2012 | Slide 19 Definiciones de acuerdo a IEEE 519 Current Distortion Limits for 12-pulse rectifiers Isc/IL <20* 20<50 50<100 100<1000 >1000 Maximum Harmonic Current Distortion in % of IL Individual Harmonic order h <11 11<=h<17 17<=h<23 23<=h<29 29<=h<35 1.0 2.8 0.375 0.85 0.15 1.75 4.95 0.625 1.4 0.25 2.5 6.35 1.0 2.1 0.375 3.0 7.8 1.25 2.8 0.5 3.75 9.9 1.5 3.5 0.625 TDD 5.0 8.0 12.0 15.0 20.0 Even harmonics are limited to 25% of the odd harmonic limits above Current distortion that result in a DC-offset, e.g. half-wave converters, are not allowed * All power generation equipment is limited to these values of current distortion, regardless of Isc/IL Where Isc = maximum short-circuit current at PCC IL = maximum demand load current (fundamental frequency component) at PCC © ABB Group May 17, 2012 | Slide 20 Definiciones de acuerdo a IEEE 519 Comparison: Current Distortion Limits 6-p versus 12p Example for Isc/IL: 20<50 Max. Harmonic Current Distortion in Percent of IL 10 9 6 pulse rectifier 8 12 pulse rectifier 7 6 5 4 3 2 1 0 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 Harmonic Order © ABB Group May 17, 2012 | Slide 21 35 37 41 43 47 49 TDD Definiciones de acuerdo a IEEE 519 Simplified Equivalent Circuit Diagram for Line Harmonics • Vnet Vharm Xline • Xxfmr • • Mains supply voltage source (infinitely strong) Harmonic voltage source (generated by the drive) Line impedance (representing the fault level of the network - mainly inductive) Transformer impedance (value with only one secondary winding shorted) PCC ~ © ABB Group May 17, 2012 | Slide 22 Xline Vnet Xxfmr TDD THD Vharm ~ Transformadores en Presencia de Armonicos Aplicaciones © ABB Group May 17, 2012 | Slide 23 Que es un sistema de accionamiento electrico (Drive)? Un sistema de tracción o accionamiento se utiliza para el control de velocidad, par y potencia de un motor eléctrico de la manera más eficiente. Se compone de transformador, variador de velocidad y el motor → Los principales componentes deben tener características coincidentes Topología estandar para un sistema de accionamiento © ABB Group May 17, 2012 | Slide 24 Transformadores de accionamiento electrico (Drives) para ... Cement, Mining & Minerals Chemical, Oil & Gas Marine Metals Power Pulp & Paper Water Special applications, e.g. wind tunnels © ABB Group May 17, 2012 | Slide 25 Aplicaciones típicas © ABB Group May 17, 2012 | Slide 26 Blowers & fans Conveyors Compressors Crushers, rolling mills Extruders, mixers Marine propulsion Mine hoists Pumps Refiners Gas & hydro turbine starters Soft starters for large machines Test stands, wind tunnels Transformadores en Presencia de Armónicos Normas IEC 61378-1 Converter transformers, Part 1 Transformers for Industrial Applications IEEE C57.18.10 IEEE standard Practices for Semiconductor Power Rectifier Transformers” IEC no hace requerimientos sobre nivel de aislamiento (BIL) IEEE si lo hace Los diseños deben cubrir Incremento del esfuerzo dieléctrico en el lado del rectificador Voltajes de modo común Alto DU/dt Corrientes armónicas Compatibilidad electromagnética EMC © ABB Group May 17, 2012 | Slide 27 Transformadores en Presencia de Armónicos Transformador convertidor Elevación de Temperatura © ABB Group May 17, 2012 | Slide 31 El aumento de la temperatura con la corriente de carga real, incluyendo las pérdidas debidas a los armónicos debe estar dentro de los límites especificados. Existe margen en el aumento de la temperatura con la corriente sinusoidal. El diseño de los devanados debe ser capaz de soportar tensiones mecánicas / térmicas debidas a la distribución de la temperatura más desigual que con corriente sinusoidal única ("efecto final"). Prueba de elevación de temperatura se puede hacer con la potencia equivalente, o con un cálculo más detallado, basado en la norma IEC 61378 Transformadores en Presencia de Armónicos Voltaje modo común/transformador de entrada Los voltajes de modo común resultan de la operación de conmutación del inversor y aparecen a través del acoplamiento capacitivo en los devanados del transformador en el devanado de BT contra tierra (también llamado componente de secuencia cero). Estas tensiones de modo común aumentan el esfuerzo dieléctrico en el aislamiento de los transformadores y deben ser considerados en el diseño del transformador (nivel de aislamiento se aumenta en comparación con los requisitos de IEC 60076) © ABB Group May 17, 2012 | Slide 32 Transformadores en Presencia de Armónicos Voltaje modo común/transformador de entrada 6.0 5.5 5.0 VCommon 4.5 4.0 3.5 3.0 VSec 2.5 2.0 1.5 1.0 VOffset 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 kV -3.5 -4.0 0 10 20 msec © ABB Group May 17, 2012 | Slide 33 Transformadores en Presencia de Armónicos Transformador convertidor ¿Por qué se necesitan transformadores convertidores? (temas principales) Adapta la tensión de alimentación de la red a la tensión de entrada del convertidor. Aísla el convertidor de la red de alimentación y limita las corrientes de cortocircuito en el convertidor. Alivia al motor y / o red de tensiones de modo común. Reduce las radio interferencias (EMC) de la unidad a la red (pantalla especial). Protege la unidad de los transitorios de voltaje de la red de alimentación. Reduce los armónicos (impedancia del transformador y conexiones especiales para la operación multipulso). © ABB Group May 17, 2012 | Slide 34 Transformadores en Presencia de Armónicos Incremento de esfuerzos mecánicos Alto di / dt, debido a la forma de onda del puente de diodos es causante de fuerzas mecánicas que no están presentes con carga normal con onda sinusoidal (es decir, el llamado "efecto martillo"). Normalmente, los rectificadores están protegidos con una función de “disparo rápido”, esta función hace un corto circuito pleno con el fin de que el interruptor de alta tensión dispare instantáneamente. Los transformadores de VSD se enfrentan a muchos más corto-circuitos durante su tiempo de vida que los transformadores de red normales. Algunas aplicaciones de velocidad variable tienen carga muy cíclica, con continuos cambios rápidos de poco % a 100% de la carga (por ejemplo, los trenes de laminación) © ABB Group May 17, 2012 | Slide 35 Transformadores en Presencia de Armónicos Pantalla EMC La UE ha establecido límites para la radio frecuencia (RF) la contaminación del sistema de suministro eléctrico en el punto de conexión del sistema de alimentación de la unidad (incluyendo el transformador) EN 61800 La misma regulación se aplica también cada vez más fuera de Europa Sistemas de accionamiento por lo general no cumplen con este requisito sin filtros. La industria requieren que el sistema sea compatible EMC (rotulado CE) en cualquier lugar, aunque el requisito de la UE sólo es en el punto de conexión a la red pública o a una distancia de 10 metros de la valla de frontera. La pantalla electrostática correctamente diseñada es una manera rentable de cumplir el requisito para el paquete rectificador- transformador La pantalla electrostática también protege contra los esfuerzos por voltaje de modo común y del sistema de alimentación (rayo y conmutación) © ABB Group May 17, 2012 | Slide 36 3 2 1 4 Middle of transformer window 5 Metal foil Insulating cylinder 5 Indicación: Esta es la descripción general de la pantalla en la especificación del transformador, pero la fabricación real no es tan simple Transformadores en Presencia de Armónicos Pantalla EMC Potencias superiores a algunos MVA MVA con corrientes armónicas típicas , las pérdidas en la pantalla son importantes, el diseño para permitir su enfriamiento. Transformadores de alimentación de VSD con conmutación de alta frecuencia en el lado de entrada (entrada activa), las pérdidas en la pantalla puede ser dramático. Tipo incorrecto de los cables de puesta a tierra de la pantalla puede hacer que la pantalla no sea funcional. © ABB Group May 17, 2012 | Slide 37 Indicación: Esta es una foto de una pantalla de fabricación local de bajo costo para transformador VSD en el Lejano Oriente después de unas semanas de operación con el 25% de la carga con entrada activa y frecuencia de conmutación de 3.2 kHz Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K © ABB Group May 17, 2012 | Slide 38 Desclasificación de transformadores. El factor K. En EEUU, en 1989, se pensó en cuantificar el calentamiento producido en los transformadores cuando se presentan armónicos. En esta situación el transformador no debe funcionar a su potencia nominal y debe o cambiarse por otro de mayor potencia o disminuirse la carga. El transformador se “desclasifica” asociándole una potencia equivalente. Esta potencia equivalente es igual a la potencia basada en el valor eficaz de la corriente no sinusoidal multiplicada por el factor “K”. Este factor “K” se define como aquel valor numérico que representa los posibles efectos de calentamiento de una carga no lineal sobre el transformador. Inicialmente se consideró llamar a este número “C”, de constante, pero se temió que hubiese confusión con la unidad grado centígrado y se optó por utilizar la letra “K”. Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K En Estados Unidos la asignación de K a un transformador lo realiza Underwriter Laboratories (UL), no el fabricante. El criterio UL1561 para establecer la clasificación es el siguiente: Inicialmente se prueba al transformador con una corriente sinusoidal de 60Hz para determinar las pérdidas en los devanados y en el núcleo. Del total de las pérdidas en los arrollamientos se restan las debidas al I2R, calculadas a 60Hz, y de este modo se deducen las pérdidas de dispersión que se consideran fundamentalmente producidas por corrientes de Foucault. Si el transformador es adecuado para un factor K determinado, las pérdidas por dispersión se multiplican por ese factor K y se suman a las debidas al efecto Joule a 60Hz. Si la elevación de la temperatura media en los devanados no supera la nominal el transformador es marcado como válido para trabajar con cualquier carga no linear de ese o menor factor K. Los valores de K para transformadores catalogados por U.L. son: 1, 4, 9, 13, 20, 30 y 40. © ABB Group May 17, 2012 | Slide 39 Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K © ABB Group May 17, 2012 | Slide 40 ANSI/IEEE C57.110-1996 nos proporciona una guía para la desclasificación en función del factor K de la carga y de las pérdidas de dispersión proporcionadas por el fabricante del transformador. Como puede verse en la figura, este método es muy conservador aún comparándolo con el indicado por UL Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K © ABB Group May 17, 2012 | Slide 41 Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K Secondary winding h q= fh(pu) 6 Ih(pu)rms fh^2 fh^2*h^2 Ih(pu)^2 Ih^2*h^2 1.000 0.960 1.000 1.000 0.922 0.922 0.922 2 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 4 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.200 0.192 0.040 1.000 0.037 0.922 0.184 7 0.143 0.137 0.020 1.000 0.019 0.922 0.132 8 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 10 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 11 0.091 0.087 0.008 1.000 0.008 0.922 0.084 13 0.077 0.074 0.006 1.000 0.005 0.922 0.071 14 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 16 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 17 0.059 0.056 0.003 1.000 0.003 0.922 0.054 19 0.053 0.051 0.003 1.000 0.003 0.922 0.049 20 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 22 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 23 0.043 0.042 0.002 1.000 0.002 0.922 0.040 25 0.040 0.038 0.002 1.000 0.001 0.922 0.037 29 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 31 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 35 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 37 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 41 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 43 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 47 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 49 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1.041 9.000 1.000 8.300 1.573 0.078 © ABB Group May 17, 2012 | Slide 42 Ih*h^2 1 Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K HV (Primary) LV (Secondary) 8.300 Eddy Loss multiplier 1.573 Stray loss multiplier Eddy Loss multiplier Stray loss multiplier 8.300 1.573 0.077754887 TDD LV Losses I2R Power TX designed Eddy 22605 Rectifier 22605 New Power 60094 3.5 / DISEÑO BASE OK HV Losses I2R Total Loss Eddy 30898 791.1 6567 Power TX designed Max Power appl © ABB Group May 17, 2012 | Slide 43 Stray 27.9% 0 30898 76052 = 11250kVA 10000kVA Stray 3.3 1019.6 8463 4780 7519 60094 76052 0.8889 Power Required Power new design 10000 11250 Transformadores en Presencia de Armónicos Factor K HV (Primary) LV (Secondary) 8.300 Eddy Loss multiplier 1.573 Stray loss multiplier Eddy Loss multiplier Stray loss multiplier 8.300 1.573 0.077754887 TDD LV Losses I2R Power TX designed Eddy 22605 Stray 10 Rectifier 22605 2260.5 18763 New Power 63633 / Power TX designed Max Power appl 27.9% HV Losses I2R Eddy 30898 0 30898 105431 = 11250kVA 8740kVA DISEÑAR TRAFO CON POTENCIA NEW DESIGN © ABB Group May 17, 2012 | Slide 44 Total Loss Stray 10 3089.8 25646 4780 7519 63633 105431 0.7769 Power Required Power new design 10000 12872 Cargas no lineales Efecto de los armónicos/ Modelamiento térmico © ABB Group May 17, 2012 | Slide 45 Transformadores en Presencia de Armónicos Resumen © ABB Group May 17, 2012 | Slide 46 Modernas unidades de convertidores AC necesitan de transformadores con diseños especiales - transformadores normales no son factibles El hecho anterior ha sido la razón para desarrollar normas independientes que han sido publicados por IEC e IEEE Sin el apropiado diseño y fabricación del transformador, el rendimiento, la fiabilidad y la duración del sistema no se puede garantizar. El diseño especial debe tener en cuenta sobre todo Aumento del esfuerzo dieléctrico Problemas térmicos (en relación con los armónicos) Aumento de los esfuerzos mecánicos En muchos casos complejas conexiones internas para los desfases y diseños multi-bobina Las consideraciones especiales se deben tener en cuenta especialmente para accionamientos de media tensión y en general de las unidades por encima de 1 MW El fabricante del transformador de unidad deberá poseer algunos conocimientos generales y específicos acerca de las unidades rectificadoras. ABB tiene una posición única, ya que puede ofrecer la gama completa de un sistema de transmisión con sus productos. Colocar atención © ABB Group May 17, 2012 | Slide 47 El cálculo de armónicos se basa en una red puramente inductiva y se refiere a una sola unidad. Cables y las unidades de compensación de factor de potencia pueden generar frecuencias de resonancia que pueden aumentar la distorsión armónica de manera dramática si la unidad rectificadora genera componentes armónicas de la misma frecuencia. Los sistemas de filtración de armónicos pueden resultar en un exceso de compensación y empeorar los resultados. Evite las redes débiles, una red tiene una potencia razonable: SCmin > 25 * Peje ACS 1000 – Input Transformer © ABB Group May 17, 2012 | Slide 48 ACS 1000 – Input Transformer Medium Voltage Supply Bus Medium Voltage Supply Bus Main Feeder Breaker & Protection I>> Prot I>> Prot Main Feeder Breaker & Protection I>> Prot 24-pulse Converter Input Transformer 12-pulse Converter Input Transformer 24-pulse Converter Input Transformer Rectifier 24-pulse 24-pulse ACS 1000i • 12-pulse or 24-pulse topology • Oil or dry type transformer Ï Conformity to IEC 61000-2-4 and IEEE 519/1992 Ï Total power factor: 0.95 constant over speed range Ï Transformer can be placed inside the building or outdoor © ABB Group May 17, 2012 | Slide 49 Main Feeder Breaker & Protection Rectifier Rectifier 12-pulse Medium Voltage Supply Bus ACS 1000 Three- level Voltage Source Inverter (VSI) Main Feeder Breaker & Protection MV Supply Converter Input Transformer ACS 1000 MV Variable Frequency Drive Rectifier & Prot IGCTs DC-Link Inverter Output Sine Filter I>> Prot MV AC Induction Motor Common Mode Choke Main Circuit Breaker Input Transformer Power Cables Common Mode Choke Main Circuit Breaker, 12 pulse Transformer and Diode Rectifier stage Fuseless Design, using Protection IGCTs DC Link, DC Capacitors and Common Mode Choke (Option) Three-level Voltage Source Inverter (VSI) equipped with IGCTs Output sine wave filter ACS 1000i: Air cooled drive with integrated transformer © ABB Group May 17, 2012 | Slide 50 Power Cables ACS 1000 – 24-pulse input transformer Two separate 3-winding transformer One 5-winding transformer U U L I PN L I PN Screen P D A P2 C D Uv0/2 Uv0/2 Uv0/2 Uv0/2 ISN/2 ISN/2 ISN/2 ISN/2 Id/2 Uv0/2 ISN/2 P1 Screen B Screen C B Uv0/2 ISN/2 Uv0/2 ISN/2 Id/2 Id/2 Udi0 Udi0 Technically a compromise (non-characteristic harmonics) More compact and lower costs © ABB Group May 17, 2012 | Slide 51 Uv0/2 ISN/2 Id/2 Id Id A Technically ideal and “save” solution Large in size and expensive ACS 1000 Transformer 3-winding transformer (12-pulse) 5-winding transformer (24-pulse) 2x3-winding transformers (2x12-pulse) typical 3-winding construction in the picture © ABB Group May 17, 2012 | Slide 52 Large 12 pulse rectifier transformer active part © ABB Group May 17, 2012 | Slide 53 ACS 6000 ”double ARU” with Pfisterer bushings © ABB Group May 17, 2012 | Slide 54 Double ARU transformer Two active parts in common tank © ABB Group May 17, 2012 | Slide 55 ACS 5000 Converter topology Transformer 2 x 4-winding or 1 x 7-winding Output voltage up to 6.9 kV Optional integrated dry type solution EMC-filter (dv/dt limitation at output) as standard Motor type 36-pulse diode rectifier 3 x 12-pulse bridges Input voltage: 1920 V / ±10% DC link (in triplicate) Three 5-level inverter unit © ABB Group May 17, 2012 | Slide 56 H-bridge configuration Asynchronous Synchronous Permanent magnet ACS5000 - 36-pulse transformers One 7-winding transformer Two separate 4-winding transformer Inverter Inverter One transformer : SR Transformer 1: SR/2 -25 -20 -15 0 -5 20 MCB MCB Inverter Inverter 5 -20 15 0 25 20 Transformer 2: SR/2 Inverter Technically a compromise, only for small powers (non-characteristic harmonics) More compact nut not always lowest costs Primary currents must be measured separately © ABB Group May 17, 2012 | Slide 57 Inverter Technically ideal and “save” solution Larger in size; compromise is to have two active parts in one oil tank Oil transformers, two separate transformers are lowest costs 2 sets of CTs on primary side is required for overcurrent detection (each primary side measured separately) ACS 5000 Network friendliness 36-pulse diode rectifier Constantly high power factor > 0.95 at any speed and load Low network harmonics due to high pulse number 2x18p transformer or 1x36p transformer Main Power Supply © ABB Group May 17, 2012 | Slide 58 Main Power Supply ACS 5000 Network friendliness Line to line voltage Scc = 500MVA, Xsc = 10% © ABB Group May 17, 2012 | Slide 59 THD = 1.19% Phase current TDD = 2.95% Transformer for ACS 5000 supply duty under IEC routine test © ABB Group May 17, 2012 | Slide 60 ABB Special Transformers (PG SPT) Allocation Map Lead Center Vaasa South Boston Pereira © ABB Group May 17, 2012 | Slide 61 Zhongshan Shanghai ABB Special Transformers (PG SPT) Factories for VSD transformers Vaasa, Lead Center • Marketing & Sales • Market Intelligence • Engineering • R&D • Production • All VSD © ABB Group May 17, 2012 | Slide 62 Shanghai Marketing & Sales • Production Zhongshan • Marketing & Sales Pereira • Marketing & Sales South Boston • Engineering • Production • all VSD (excl. ACS5000) • Engineering • Production • up 10MVA (excl. ACS5000) • LV VSD, ACS 1000 Engineering Production LV VSD, ACS 1000 ABB Pereira, Colombia Special Transformer Manufacturer in SAM Region © ABB Group May 17, 2012 | Slide 63 SPT Focused Factory for LAM region Strategic geographical location Full current ABB Technologies implemented More than 40 years of experience in transformers Manufacturing culture based on operational excellence. World class test failure rate. ABB Special Transformers (PG SPT) Product Portfolio Tailor made transformers and reactors (up to 63 MVA, 170 kV) © ABB Group May 17, 2012 | Slide 64 railway transformers furnace and rectifier transformers marine & offshore transformers variable speed drives transformers reactors other special transformers transformer service Railway track side transformers Railway transformers Autotransformers Booster Transformers Rectifier Transformers Feeder Transformer Customers © ABB Group May 17, 2012 | Slide 65 EPC’s, Railway companies Furnace and Rectifier transformers Furnace and Rectifiers transformers Transformers for Arc Furnaces Transformers for Medium and High Current Rectifiers New installations or replacements Customers © ABB Group May 17, 2012 | Slide 66 Chemical and Metal Industry Marine transformers Oil type transformers for Marine Propulsion Transformers Hotel Transformers Magnetising Transformers Environmental friendly applications, Midel Customers © ABB Group May 17, 2012 | Slide 67 Marine Industry Offshore transformers Offshore transformers Subsea Transformers Converter Transformers OLTC Feeder Transformers Converter Step Up Transformers Customers © ABB Group May 17, 2012 | Slide 68 Oil & Gas producers on offshore platforms, gas fields, FPSO vessels and movable units VSD transformers VSD transformers Supply Transformers for frequency converters Step-up Transformers Customers © ABB Group May 17, 2012 | Slide 69 Metals, Minerals and Mining Industry Pulp and Paper, Water & Waste Water Reactors Reactors Current limiting reactors Neutral earthing reactors Shunt reactors Starting reactors Earthing transformers Customers © ABB Group May 17, 2012 | Slide 70 Utilities Metal industry