Как выбрать частоту расстройки антирезонансного дросселя для УКРМ

Установки компенсации реактивной мощности позволяют повысить коэффициент мощности и уменьшить реактивную нагрузку на электрическую сеть. Однако в современных промышленных сетях вместе с электродвигателями работают преобразователи частоты, выпрямители, сварочные аппараты, ИБП и другое нелинейное оборудование.

Такие потребители создают высшие гармоники.

В результате обычная конденсаторная установка КРМ может попасть в резонанс с индуктивностью питающей сети. Токи через конденсаторы возрастают, они перегреваются, быстрее стареют и в отдельных случаях могут выйти из строя.

Для предотвращения этой ситуации последовательно с конденсаторами устанавливается антирезонансный дроссель.

Но одного решения «поставить реактор для КРМ» недостаточно. Необходимо правильно выбрать частоту расстройки.

СЗСЭМ выпускает трехфазные антирезонансные дроссели серии ДТА с тремя основными вариантами:

• 5,67% — 210 Гц;

• 7% — 189 Гц;

• 14% — 134 Гц.

Выбор между ними зависит прежде всего от гармонического состава конкретной электрической сети.

Зачем нужен антирезонансный дроссель в УКРМ

Обычная ступень установки компенсации реактивной мощности состоит из конденсаторов:

сеть → коммутационный аппарат → конденсаторная батарея

Конденсатор хорошо компенсирует реактивную мощность на основной частоте 50 Гц.

Однако емкостное сопротивление уменьшается с ростом частоты:

Xc = 1 / (2πfC)

Следовательно, для высших гармоник конденсатор представляет значительно меньшее сопротивление, чем для основной частоты.

Например, 5-я гармоника в сети 50 Гц имеет частоту:

5 × 50 = 250 Гц.

На этой частоте сопротивление конденсатора существенно ниже, чем на 50 Гц.

Если параметры конденсаторной батареи и индуктивность питающей сети образуют резонансный контур вблизи одной из присутствующих гармоник, ток может резко увеличиться.

Последствия:

• перегрев конденсаторов;

• увеличение тока ступени УКРМ;

• срабатывание защиты;

• сокращение ресурса конденсаторов;

• повреждение предохранителей и контакторов;

• усиление гармонических искажений вместо их уменьшения.

Антирезонансный дроссель решает эту проблему.

Он включается последовательно с конденсатором:

сеть → дроссель ДТА → конденсатор

Дроссель и конденсатор образуют последовательный LC-контур с заранее выбранной собственной частотой.

СЗСЭМ указывает, что частота его резонанса должна находиться ниже самой низкой ожидаемой значимой гармоники. Для типичной трехфазной промышленной сети такой гармоникой обычно является 5-я — 250 Гц.

Что означает 5,67%, 7% или 14%

Процент в обозначении антирезонансной системы характеризует соотношение реактивного сопротивления дросселя и конденсатора на основной частоте сети.

Упрощенно:

p = XL / XC

где:

• p — коэффициент расстройки;

• XL — индуктивное сопротивление реактора на 50 Гц;

• XC — емкостное сопротивление конденсатора на 50 Гц.

Например:

7% = 0,07.

Чем выше этот процент, тем больше требуемая индуктивность дросселя при одинаковой мощности конденсаторной ступени.

Собственная частота LC-контура связана с коэффициентом p приблизительно выражением:

fрез = f1 / √p

где:

• fрез — частота настройки;

• f1 — основная частота сети;

• p — коэффициент в долях единицы.

Для сети 50 Гц получаем:

Коэффициент	Частота настройки
5,67%	около 210 Гц
7%	около 189 Гц
14%	около 134 Гц

Такие же значения приводит СЗСЭМ для антирезонансных дросселей ДТА.

Почему частота должна быть ниже гармоники

Рассмотрим наиболее распространенную ситуацию.

На объекте работают преобразователи частоты с шестипульсными выпрямителями.

Для них характерны:

• 5-я гармоника — 250 Гц;

• 7-я — 350 Гц;

• 11-я — 550 Гц;

• 13-я — 650 Гц.

Если настроить LC-контур УКРМ непосредственно на 250 Гц, он будет иметь минимальное сопротивление именно в районе 5-й гармоники.

Вместо защиты получится путь для большого гармонического тока.

Поэтому антирезонансную систему намеренно расстраивают ниже 250 Гц.

Например:

189 Гц < 250 Гц

или:

210 Гц < 250 Гц.

Выше собственной частоты последовательность «дроссель + конденсатор» приобретает индуктивный характер и перестает создавать опасный емкостный резонанс в районе 5-й гармоники.

Schneider Electric также описывает detuned reactor как реактор, который вместе с конденсатором настраивается ниже минимальной присутствующей гармоники; типовыми значениями для сети 50 Гц являются примерно 210, 190 и 135 Гц.

Вариант 7% — 189 Гц

Для большинства промышленных сетей это один из наиболее распространенных вариантов.

p = 7%

соответствует частоте примерно:

189 Гц.

Она находится между:

3-й гармоникой — 150 Гц

и

5-й гармоникой — 250 Гц.

Если значимой 3-й гармоники в сети нет, такая настройка хорошо подходит для защиты УКРМ от воздействия 5-й и более высоких гармоник.

CIRCUTOR прямо называет настройку 189 Гц типовым решением для сетей с 5-й и последующими гармониками, которые характерны для трехфазных шестипульсных преобразователей частоты и выпрямителей.

Когда выбирать 7%

Вариант 7% следует рассматривать, если:

• в сети много преобразователей частоты;

• работают трехфазные выпрямители;

• выражена 5-я гармоника;

• 3-я гармоника невелика;

• необходимо защитить обычную промышленную УКРМ от резонанса;

• нет специальных требований к другой частоте расстройки.

Для большинства промышленных объектов именно 7% можно считать первым кандидатом для технического анализа, но не универсальным выбором без измерения гармоник.

Пример ДТА 7%

СЗСЭМ выпускает, например:

ДТА-1,54/42,3 У2

для ступени 25 кВАр.

Для нее указаны:

• частота расстройки — 7% / 189 Гц;

• емкость — 3 × 154 мкФ;

• индуктивность — 1,54 мГн;

• ток — 42,3 А.

Для ступени 50 кВАр в этой же группе:

ДТА-0,77/84,6 У2

с индуктивностью 0,77 мГн и током 84,6 А.

По мере роста мощности ступени ток увеличивается, а необходимая индуктивность уменьшается.

Вариант 5,67% — 210 Гц

Второй распространенный вариант:

p = 5,67%

и частота настройки:

около 210 Гц.

Она также располагается ниже 5-й гармоники 250 Гц, но значительно ближе к ней, чем вариант 189 Гц.

Схематично:

150 Гц — 3-я гармоника

189 Гц — 7%

210 Гц — 5,67%

250 Гц — 5-я гармоника

Более высокая частота настройки означает меньшую индуктивность при прочих равных.

В чем отличие от 7%

Оба варианта защищают конденсаторную установку от опасного резонанса в районе 5-й гармоники, но частотная характеристика отличается.

При настройке 210 Гц контур находится ближе к 250 Гц.

Поэтому воздействие системы на 5-ю гармонику может быть выраженнее, но одновременно возрастает важность точного анализа гармонического спектра и параметров сети.

CIRCUTOR отмечает, что 5,67% соответствует примерно 210 Гц, а 7% — 189 Гц; несмотря на сходное назначение, поведение этих двух вариантов в реальной сети не полностью одинаково.

Когда рассматривают 5,67%

Вариант может быть интересен, когда:

• основная проблема связана именно с 5-й гармоникой;

• параметры сети известны;

• выполнено измерение гармонического спектра;

• проектом или спецификацией уже предусмотрена настройка около 210 Гц;

• требуется заменить существующую УКРМ с аналогичной расстройкой.

Нельзя автоматически менять существующий реактор:

5,67% → 7%

только потому, что оба варианта работают ниже 250 Гц.

Изменяется не только дроссель, но и параметры всей ступени «дроссель + конденсатор».

Вариант 14% — 134 Гц

14% существенно отличается от двух предыдущих вариантов.

При:

p = 14%

резонансная частота составляет примерно:

134 Гц.

Она находится уже ниже:

3-й гармоники — 150 Гц.

Это ключевая особенность.

Schneider Electric указывает, что вариант около 14% применяется при высоком уровне напряжения 3-й гармоники. CIRCUTOR также рассматривает настройку 134 Гц как решение для значительно менее распространенного случая, когда в сети доминирует 3-я гармоника.

Когда 14% действительно нужен

Такую настройку стоит рассматривать, когда измерения показывают значимую 3-ю гармонику.

Источниками могут быть определенные однофазные нелинейные нагрузки и другие схемы, создающие гармоники, кратные трем.

Например:

• большое количество однофазной электронной нагрузки;

• источники питания;

• компьютерное оборудование;

• некоторые системы освещения;

• однофазные выпрямительные нагрузки.

Но само наличие подобного оборудования еще не означает, что нужно ставить ДТА 14%.

Решение принимают по фактическому гармоническому спектру.

Почему нельзя поставить обычные 7%, если сильна 3-я гармоника

У системы 7% собственная частота:

189 Гц.

А 3-я гармоника находится на:

150 Гц.

То есть она находится ниже частоты настройки.

Если именно 150 Гц является значимой проблемной составляющей, стандартная расстройка 189 Гц уже не выполняет основной принцип:

резонансная частота должна находиться ниже минимальной опасной гармоники.

Поэтому используется более глубокая расстройка:

134 Гц < 150 Гц.

Сравнение ДТА 5,67%, 7% и 14%

Параметр	5,67%	7%	14%
Частота настройки при 50 Гц	210 Гц	189 Гц	134 Гц
Положение относительно 5-й гармоники	Ниже, близко к 250 Гц	Ниже 250 Гц	Значительно ниже
Положение относительно 3-й гармоники	Выше 150 Гц	Выше 150 Гц	Ниже 150 Гц
Типичная область применения	Сети с выраженной 5-й гармоникой	Большинство промышленных сетей с 5-й и выше	Сети со значимой 3-й гармоникой
Относительная индуктивность	Меньше	Средняя	Больше
Необходимость анализа спектра	Высокая	Высокая	Особенно высокая

СЗСЭМ выпускает серию ДТА во всех трех вариантах для сети 400 В, 50 Гц.

Почему у ДТА 14% значительно выше индуктивность

Возьмем одинаковую ступень УКРМ:

25 кВАр.

У СЗСЭМ представлены:

5,67%

ДТА-1,24/46,6 У2

Индуктивность:

1,24 мГн

7%

ДТА-1,54/42,3 У2

Индуктивность:

1,54 мГн

14%

ДТА-3,3/40,1 У2

Индуктивность:

3,3 мГн

Хорошо видно:

чем выше процент расстройки → тем выше индуктивность.

Для 14% она более чем в два раза превышает значение для 5,67%.

Именно увеличение L позволяет опустить собственную частоту LC-контура с 210 до 134 Гц.

Почему меняется ток ступени

В таблицах можно заметить, что для одинаковой мощности ступени ток различается.

Например, для 25 кВАр:

• 5,67% — 46,6 А;

• 7% — 42,3 А;

• 14% — 40,1 А.

Это связано с тем, что реактор и конденсатор образуют единую LC-систему.

После добавления дросселя напряжение непосредственно на конденсаторе отличается от линейного напряжения сети.

Schneider Electric отдельно указывает, что в detuned-системе напряжение на конденсаторах становится выше номинального сетевого, поэтому конденсаторы необходимо выбирать с учетом этого дополнительного напряжения и гармонического тока.

Следовательно, нельзя взять существующую батарею обычных конденсаторов и просто добавить к ней любой антирезонансный реактор.

Дроссель и конденсатор должны быть рассчитаны как комплект.

Что такое фильтр для КРМ

В практической речи последовательное соединение:

антирезонансный дроссель + конденсатор

часто называют:

антирезонансным фильтром

или:

фильтром для КРМ.

Однако его основное назначение важно понимать правильно.

Это не обязательно фильтр, специально настроенный на поглощение конкретной гармоники.

Главная задача detuned-системы:

не допустить резонанса конденсаторной батареи с питающей сетью и защитить конденсаторы от гармонических перегрузок.

Она также воздействует на гармонический спектр и может поглощать часть гармонического тока, но это не то же самое, что узкополосный фильтр гармоник, специально настроенный на определенную частоту.

Антирезонансный дроссель и обычный реактор для КРМ

Термин «реактор для КРМ» часто используется как синоним антирезонансного дросселя.

Но при заказе лучше указывать конкретные характеристики:

• напряжение сети;

• частоту сети;

• мощность ступени в кВАр;

• коэффициент расстройки;

• емкость конденсатора;

• расчетный ток.

Например, вместо:

«нужен реактор для КРМ 25 кВАр»

лучше:

«сеть 400 В, 50 Гц, ступень 25 кВАр, расстройка 7%, конденсатор 3 × 154 мкФ».

Тогда для стандартной серии ДТА можно предварительно подобрать:

ДТА-1,54/42,3 У2.

Как выбрать частоту расстройки: пошагово

Шаг 1. Измерить гармонический спектр

Это самый важный этап.

На действующем объекте желательно выполнить измерения анализатором качества электроэнергии.

Нужно определить:

• THDu;

• THDi;

• 3-ю гармонику;

• 5-ю;

• 7-ю;

• 11-ю;

• 13-ю;

• более высокие составляющие при необходимости.

Оценка только общего THD недостаточна.

Например:

THDu = 6%

само по себе не говорит, какую расстройку выбрать.

Необходимо понимать, чем сформированы эти 6%.

Шаг 2. Найти самую низкую значимую гармонику

Если спектр выглядит условно так:

• 3-я — 0,4%;

• 5-я — 6%;

• 7-я — 3%;

• 11-я — 1%,

основная проблема начинается с 5-й гармоники.

Тогда рассматриваются:

5,67% или 7%.

Если:

• 3-я — 5%;

• 5-я — 3%;

• 7-я — 1%,

уже необходимо анализировать вариант:

14%.

Шаг 3. Проверить источники гармоник

Если на объекте преобладают:

• трехфазные ПЧ;

• шестипульсные выпрямители;

• промышленные инверторы,

обычно наиболее характерна 5-я гармоника.

Поэтому часто рассматривается 7% / 189 Гц.

Если значительная часть нагрузки однофазная и присутствует выраженная 3-я гармоника, ситуация другая.

Шаг 4. Проверить системы передачи управляющих сигналов по сети

На некоторых объектах по электрической сети могут передаваться сигналы централизованного управления или учета на определенных частотах.

Частота настройки антирезонансной системы должна выбираться с учетом таких сигналов.

Schneider Electric указывает, что частота настройки должна находиться ниже частоты ripple-control-системы, если такая система присутствует.

Шаг 5. Выбрать комплект «дроссель + конденсатор»

После определения p% выбирается уже конкретная ступень УКРМ.

Необходимо согласовать:

мощность кВАр → емкость C → индуктивность L → ток I.

Пример выбора для промышленного объекта

Предположим:

• сеть — 400 В;

• частота — 50 Гц;

• УКРМ — 200 кВАр;

• ступени — 4 × 50 кВАр;

• на объекте работают мощные преобразователи частоты.

Измерение показывает:

• 3-я гармоника — небольшая;

• 5-я — выраженная;

• 7-я — присутствует;

• более высокие составляющие ниже.

В таком случае логичным исходным вариантом для анализа будет:

7% / 189 Гц.

Для одной ступени 50 кВАр СЗСЭМ предлагает:

ДТА-0,77/84,6 У2

с параметрами:

• расстройка — 7%;

• частота — 189 Гц;

• емкость — 3 × 308 мкФ;

• индуктивность — 0,77 мГн;

• ток — 84,6 А.

Для четырех ступеней потребуется соответствующее количество комплектов «ДТА + конденсаторы».

При этом окончательный проект должен учитывать допустимые гармонические напряжения и токи конкретного оборудования.

Пример, когда 14% предпочтительнее

Допустим, измерение другой сети показывает:

• значительную 3-ю гармонику — 150 Гц;

• наличие 5-й;

• большую долю однофазной нелинейной нагрузки.

В этом случае настройка:

189 или 210 Гц

находится выше 150 Гц.

Поэтому она уже не соответствует принципу расположения резонансной частоты ниже первой значимой гармоники.

Рассматривается:

14% / 134 Гц.

Для ступени 50 кВАр СЗСЭМ приводит:

ДТА-1,65/80 У2

с:

• индуктивностью 1,65 мГн;

• током 80 А;

• емкостью 3 × 308 мкФ.

Почему нельзя выбирать 14% «для большей надежности»

Может возникнуть логика:

14% находится ниже всех трех вариантов, значит он самый безопасный.

Но это неправильный подход.

Более глубокая расстройка означает:

• большую индуктивность;

• другие токи и напряжения;

• другие габариты;

• другую стоимость;

• изменение параметров всей установки.

Расстройку выбирают не по принципу «чем больше процент, тем лучше», а по гармоническому составу сети.

Если 3-я гармоника отсутствует, применение 14% может оказаться неоправданным.

Почему нельзя всегда ставить 5,67%

Аналогично неверен подход:

«210 Гц ближе к 250 Гц, значит он лучше борется с 5-й гармоникой».

Антирезонансная УКРМ не должна рассматриваться только как средство максимального поглощения 5-й гармоники.

Ее основная задача — безопасная компенсация реактивной мощности в загрязненной сети.

Чем ближе собственная частота контура к мощной присутствующей гармонике, тем внимательнее необходимо оценивать токи через реактор и конденсаторы.

Поэтому для большинства типовых установок с 5-й и последующими гармониками настройка 189 Гц получила широкое распространение.

Нужно ли учитывать мощность трансформатора

Да.

Резонансные процессы зависят не только от конденсаторной батареи, но и от индуктивности питающей сети.

На нее влияют:

• мощность трансформатора;

• напряжение короткого замыкания трансформатора;

• длина и сечение кабелей;

• мощность источника;

• параллельная работа трансформаторов.

Поэтому две одинаковые УКРМ на двух разных объектах могут взаимодействовать с сетью по-разному.

Особенно важно выполнять расчет при большой мощности конденсаторной установки относительно мощности трансформатора.

ДТА — это не сетевой дроссель для ПЧ

Антирезонансный дроссель иногда путают с обычным сетевым реактором.

Это разные устройства.

ДТС

Устанавливается:

сеть → ДТС → преобразователь частоты

Назначение:

• ограничение бросков тока;

• защита ПЧ;

• уменьшение воздействия гармоник преобразователя на сеть.

ДТА

Устанавливается:

сеть → ДТА → конденсатор УКРМ

Назначение:

• предотвращение резонанса;

• защита конденсаторов;

• безопасная компенсация реактивной мощности в сети с гармониками.

Поэтому обычный сетевой дроссель ПЧ нельзя автоматически использовать как реактор для КРМ.

Основные ошибки при выборе частоты расстройки

Выбирать 7% без анализа сети

7% действительно является очень распространенным вариантом, но наличие значительной 3-й гармоники может потребовать другой настройки.

Выбирать 14% «с максимальным запасом»

Больший процент не означает автоматически лучшую защиту.

Смотреть только на THD

Необходимо знать спектр отдельных гармоник.

Не учитывать конденсаторы

ДТА и конденсатор образуют единый LC-контур.

Добавлять дроссель к существующей батарее без перерасчета

Напряжение непосредственно на конденсаторе при наличии реактора повышается. Поэтому конденсатор должен быть рассчитан на соответствующий режим.

Путать антирезонансный фильтр с фильтром гармоник

Detuned-система прежде всего предотвращает опасный резонанс УКРМ. Специализированный гармонический фильтр может иметь другую задачу и частотную настройку.

Какие данные нужны для подбора ДТА

Для выбора антирезонансного дросселя желательно предоставить:

1. Номинальное напряжение сети.

2. Частоту сети.

3. Мощность трансформатора.

4. Uk трансформатора.

5. Общую мощность УКРМ.

6. Мощность одной ступени.

7. Емкость используемых конденсаторов.

8. Желаемую частоту расстройки.

9. Результаты измерения THDu.

10. Уровень 3-й гармоники.

11. Уровень 5-й гармоники.

12. Уровень 7-й гармоники.

13. Другие значимые гармоники.

14. Состав нелинейных нагрузок.

15. Требования к подключению и климатическому исполнению.

СЗСЭМ выпускает ДТА для сети 400 В, 50 Гц с вариантами 5,67%, 7% и 14%, а по предварительному согласованию возможно исполнение с параметрами, отличными от стандартной таблицы.

Какой вариант выбрать: коротко

Если упростить выбор до базовой логики:

5,67% / 210 Гц — вариант для сетей, где основной интерес представляет 5-я гармоника и настройка 210 Гц подтверждена расчетом;

7% / 189 Гц — наиболее универсальный вариант для многих промышленных сетей с преобразователями частоты, где основная значимая гармоника — 5-я и выше;

14% / 134 Гц — применяется, когда в сети присутствует значительная 3-я гармоника и резонансную частоту необходимо опустить ниже 150 Гц.

Но окончательный выбор должен выполняться по измеренному гармоническому спектру, а не только по типу нагрузки.

Итог

Антирезонансный дроссель устанавливается последовательно с конденсаторами УКРМ и образует с ними LC-контур. Его собственную частоту специально выбирают ниже минимальной значимой гармоники, чтобы конденсаторная батарея не вошла в опасный резонанс с питающей сетью.

Для серии ДТА СЗСЭМ предусмотрены три основных варианта:

5,67% → 210 Гц;

7% → 189 Гц;

14% → 134 Гц.

Для типичной промышленной сети с трехфазными преобразователями частоты основной проблемой обычно является 5-я гармоника 250 Гц. В таком случае часто применяется реактор для КРМ 7% с настройкой около 189 Гц.

Вариант 5,67% / 210 Гц также находится ниже 5-й гармоники, но ближе к ней и требует внимательного анализа режима.

14% / 134 Гц применяется в случаях, когда значимой становится уже 3-я гармоника на частоте 150 Гц.

Поэтому правильный выбор фильтра для КРМ начинается с измерения гармонического спектра:

определяем первую значимую гармонику → выбираем резонансную частоту ниже нее → рассчитываем комплект «дроссель + конденсатор» → проверяем токи и напряжения.

Такой подход позволяет не только компенсировать реактивную мощность, но и защитить конденсаторную установку от перегрузок и резонансных процессов в сети с нелинейными нагрузками.