Wie berechnet und wählt man die Kapazität eines aktiven Oberwellenfilters aus?

Die Bestimmung der Kapazität eines AHF (Active Power Filter) ist der kritischste Schritt bei der Auswahl. Eine unzureichende Kapazität führt zu schlechter Kompensation oder sogar zu Überlastung und Beschädigung der Anlage, während eine übermäßige Kapazität zu verschwendeten Investitionen führt. Im Folgenden sind die Kernschritte und Methoden zur Bestimmung der AHF-Kapazität aufgeführt:

Kernprinzip: Die Nennkapazität des AHF (normalerweise in Ampere angegeben) muss größer oder gleich dem Effektivwert der Vektorsumme der zu kompensierenden Oberschwingungsströme und Blindströme sein, mit einem angemessenen Sicherheitszuschlag.

Schritte zur Bestimmung der AHF-Kapazität

1. Identifizieren des Kompensationsziels:

Einzelne nichtlineare Last: z. B. Frequenzumrichter, Mittelfrequenzöfen, große USV-Anlagen, Gleichrichtergeräte usw. Dies ist der Idealfall.

Eine Gruppe nichtlinearer Lasten: z. B. mehrere Frequenzumrichter auf mehreren Produktionslinien.

Gesamtes Stromverteilungssystem/Sammelschiene: Kompensation des gesamten Oberschwingungsstroms, der von allen Lasten auf dieser Sammelschiene erzeugt wird. Dies ist die häufigste Situation.

2. Beschaffung von Oberschwingungsstromdaten:

2.1 Methode 1: Tatsächliche Messung (Genaueste, sehr empfehlenswert)

2.11 Verwenden Sie einen professionellen Netzqualitätsanalysator (z. B. Fluke, Hioki, YOKOGAWA usw.).

2.12 Führen Sie Messungen am Zielkompensationspunkt durch (z. B. am Eingangsanschluss der nichtlinearen Last, der zu kompensierenden Sammelschiene).

2.13 Messen Sie die wichtigsten Parameter:

Grundschwingungs-Effektivstrom: `I₁` (A)

Gesamte Oberschwingungsverzerrung: `THDi` (%) – Dies ist das Verhältnis des gesamten Effektivwerts des Oberschwingungsstroms zum Effektivwert des Grundschwingungsstroms.

Oberschwingungsstromgehalt: `I₅`, `I₇`, `I₁₁`, `I₁₃` usw. (A oder %) – Das Verständnis der Spektrumsverteilung ist hilfreich für die AHF-Steuerungsstrategie und das Kapazitätsdesign, aber `THDi` wird hauptsächlich zur Berechnung der Gesamtkapazität verwendet.

Messbedingungen: Die Messungen sollten unter der typischen maximalen Oberschwingungslastbedingung durchgeführt werden. Wenn die Lastbedingungen stark variieren, sollten mehrere typische Bedingungen gemessen und der ungünstigste Fall (maximaler THDi) aufgezeichnet werden.

Dauer: Die Messzeit sollte lang genug sein, um den Betriebszyklus der Last abzudecken.

2.2 Methode Zwei: Theoretische Schätzung (Geringere Genauigkeit, geeignet für Vorauswahl oder wenn keine tatsächliche Messung möglich ist)

2.21 Konsultieren Sie das Gerätehandbuch: Einige Gerätehandbücher (z. B. von Frequenzumrichtern) enthalten typische THDi-Werte des Eingangsstroms oder Oberschwingungsspektren.

2.22. Erfahrungsformeln/Typische Werte:
6-Puls-Gleichrichter (ohne Drossel): `THDi` ≈ 30%-50%
6-Puls-Gleichrichter (mit Gleichstromdrossel): `THDi` ≈ 30%-40%
6-Puls-Gleichrichter (mit Wechselstromdrossel): `THDi` ≈ 30%-35%
12-Puls-Gleichrichter: `THDi` ≈ 10%-15%

2.23. USV: `THDi` ≈ 25%-40%

2.24. Hochfrequenz-Schaltnetzteil: `THDi` kann sehr hoch sein (>80%), aber der tatsächliche Effektivstromwert ist möglicherweise nicht groß.

2.25. Grundschwingungsstromschätzung: `I₁≈ S / (√3 * U * PF)`. Dabei ist `S` die Scheinleistung der Last (kVA), `U` die verkettete Spannung (V) und `PF` der Leistungsfaktor der Last (zur Schätzung kann 0,7-0,9 verwendet werden). Beachten Sie, dass der Leistungsfaktor nichtlinearer Lasten normalerweise niedriger ist.

3. Berechnen Sie den Effektivwert des zu kompensierenden Oberschwingungsstroms:

Beispiel:
Der gemessene Eingangsstrom eines Frequenzumrichters I₁ = 100A, THDi = 40%. Dann ist Ih = 100A * (40 / 100) = 40A. Dies bedeutet, dass der AHF mindestens eine Kompensationskapazität von 40A für Oberschwingungsströme bereitstellen muss.

4. Berücksichtigung des Blindleistungskompensationsbedarfs:

Wenn der AHF sowohl Oberschwingungen als auch Blindleistung kompensieren muss (um den Leistungsfaktor zu verbessern), muss diese Anforderung in die Berechnung einbezogen werden.

Bestimmen Sie den Effektivwert des zu kompensierenden Blindstroms, `Iq` (A):

`Iq = I₁ * sin(φ)`, wobei `φ` der Phasenwinkel ist, um den der Laststrom der Spannung nacheilt (`cosφ` ist der Leistungsfaktor).

5. Berücksichtigung von Sicherheitszuschlägen:

5.1 Lastschwankungszuschlag: Die Last kann sich ändern, und die Oberschwingungspegel können kurzzeitig den gemessenen Wert überschreiten. Es wird empfohlen, einen Zuschlag von 15%-30% hinzuzufügen.

5.2 Systemerweiterungszuschlag: Berücksichtigen Sie mögliche zukünftige Laststeigerungen. Es wird empfohlen, einen Zuschlag von 10%-20% hinzuzufügen (gemäß Plan festzulegen).

5.3 AHF-Eigenkapazitätszuschlag: AHFs haben typischerweise eine gewisse kurzzeitige Überlastfähigkeit (z. B. 150% Überlast für 1 Minute), aber die Nennkapazität sollte für den Dauerbetrieb ausreichend sein.

5.4. Anwendung des Zuschlags: Multiplizieren Sie den in Schritt 3 oder 4 berechneten Strom `Ih` oder `Ic` mit dem Zuschlagsfaktor `K` (z. B. 1,2 – 1,5).

`I_ahf = Ih * K` (kompensiert nur Oberschwingungen)
`I_ahf = Ic * K` (kompensiert sowohl Oberschwingungen als auch Blindleistung)

6. Endgültige Bestimmung des AHF-Nennstroms:

Basierend auf dem berechneten Ergebnis von `I_AHF` wählen Sie ein AHF-Modell mit einem Nennstrom, der gleich oder geringfügig größer als `I_ahf` ist.

Hinweis:

Die Kapazität eines AHF wird normalerweise in Ampere angegeben (z. B. 50A, 100A, 300A).

Manchmal wird seine Scheinleistungskapazität in Kilovoltampere angegeben (`S_ahf = √3 * U * I_AHF`). Der Strom ist jedoch die direkteste Grundlage für die Auswahl.

Der Spannungspegel muss mit der Systemspannung übereinstimmen (z. B. 380V, 400V, 480V, 690V usw.).

Zusammenfassung der wichtigsten Überlegungen:

Oberschwingungsstrom ist entscheidend: Die genaue Messung oder Schätzung des gesamten Effektivwerts des Oberschwingungsstroms (`Ih`) am Zielkompensationspunkt ist grundlegend.

Blindleistungskompensationsanforderungen: Wenn gleichzeitig eine Blindleistungskompensation erforderlich ist, muss der Blindstrom (`Iq`) berechnet und mit dem Oberschwingungsstrom (`Ic`) vektoriell synthetisiert werden.

Ausreichender Sicherheitszuschlag ist unerlässlich: Lastschwankungen, Systemerweiterungen und die Eigenschaften des AHF selbst erfordern alle ausreichende Sicherheitszuschläge. Es ist besser, auf der Seite größerer Zuschläge zu irren als auf der Seite kleinerer, aber übermäßige Verschwendung sollte vermieden werden.

Tatsächliche Messung wird bevorzugt: Theoretische Schätzungen weisen erhebliche Fehler auf; tatsächliche Netzqualitätsmessungen werden dringend empfohlen, insbesondere bei komplexen Lasten oder variablen Betriebsbedingungen.

Systemspannung: Die Nennspannung des AHF muss mit der Systemspannung am Installationsort übereinstimmen.

Umgebungstemperatur: Die Kapazität des AHF wird normalerweise bei einer Standard-Umgebungstemperatur (z. B. 40°C) kalibriert. Wenn die Umgebungstemperatur am Installationsort höher ist, muss möglicherweise eine Leistungsminderung oder die Auswahl eines Modells mit größerer Kapazität in Betracht gezogen werden. AHF-Topologie: Der parallele AHF ist am gebräuchlichsten, und seine Kapazität wird wie oben beschrieben bestimmt. Andere Typen (wie Serien- und Hybrid-AHFs) haben ähnliche Prinzipien der Kapazitätsbestimmung, aber der Schwerpunkt kann unterschiedlich sein.

Herstellerkonsultation: Teilen Sie dem AHF-Lieferanten Ihre Messdaten, Lastbedingungen und Anforderungen mit; dieser wird in der Regel professionelle Auswahlberatung und Berechnungen anbieten.

Einfache Formelzusammenfassung (Nur Oberschwingungskompensation)

`AHF-Nennstrom (I_ahf) ≥ [Grundschwingungs-Effektivstrom (I₁) × Gesamte Oberschwingungsverzerrung (THDi%) / 100] × (1 + Zuschlagsfaktor)`

Beispiel: Für eine 380V-Verteilungssammelschiene unter der gemessenen maximalen Betriebsbedingung:

`I₁ = 800A` `THDi = 25%`

Nur Oberschwingungskompensation ist erforderlich; der Ziel-Leistungsfaktor ist akzeptabel. Unter Berücksichtigung eines Lastschwankungszuschlags von 20% und eines Erweiterungszuschlags von 10% beträgt der Gesamtzuschlagsfaktor `K = 1,3`
Berechnung: `Ih = 800A * (25 / 100) = 200A`
`I_ahf = 200A * 1,3 = 260A`
Auswahl: Wählen Sie einen 380V-Parallel-AHF mit einem Nennkompensationsstrom von nicht weniger als 260A (z. B. ein 300A-Modell).

Durch Befolgen der obigen Schritte und Methoden und sorgfältige Berücksichtigung der Sicherheitszuschläge in Verbindung mit der tatsächlichen Situation kann die Kapazität des AHF wissenschaftlich und rational bestimmt werden, wodurch ein effektiver, zuverlässiger und wirtschaftlicher Betrieb gewährleistet wird.