Come calcolare e selezionare la capacità di un filtro armonico attivo?

Determinare la capacità di un AHF (Filtro Attivo di Potenza) è il passo più critico nella selezione. Una capacità insufficiente porterà a una compensazione scarsa o addirittura al sovraccarico e al danneggiamento dell’apparecchiatura, mentre una capacità eccessiva comporterà uno spreco di investimento. Di seguito sono riportati i passaggi e i metodi principali per determinare la capacità dell’APF:

Principio Fondamentale: La capacità nominale dell’AHF (solitamente espressa in ampere) deve essere maggiore o uguale al valore efficace della somma vettoriale delle correnti armoniche e delle correnti reattive che deve compensare, con un margine appropriato.

Passaggi per Determinare la Capacità dell’AHF

1. Identificare l’Obiettivo di Compensazione:

Carico non lineare singolo: come inverter, forni a media frequenza, grandi UPS, apparecchiature raddrizzatrici, ecc. Questa è la situazione ideale.

Un gruppo di carichi non lineari: come più inverter su più linee di produzione.

Intero sistema di distribuzione elettrica/barra: Compensare la corrente armonica totale generata da tutti i carichi su questa barra. Questa è la situazione più comune.

2. Ottenere i Dati della Corrente Armonica:

2.1 Metodo 1: Misurazione Effettiva (Più Precisa, Altamente Raccomandata)

2.11 Utilizzare un analizzatore di qualità dell’energia professionale (es. Fluke, Hioki, YOKOGAWA, ecc.).

2.12 Eseguire le misurazioni nel punto di compensazione target (es. il terminale di ingresso del carico non lineare, la barra da compensare).

2.13 Misurare i Parametri Chiave:

Valore Efficace della Corrente Fondamentale: `I₁` (A)

Tasso di Distorsione Armonica Totale: `THDi` (%) – Questo è il rapporto tra il valore efficace totale della corrente armonica e il valore efficace della corrente fondamentale.

Contenuto di Corrente Armonica: `I₅`, `I₇`, `I₁₁`, `I₁₃`, ecc. (A o %) – Comprendere la distribuzione dello spettro è utile per le strategie di controllo dell’AHF e la progettazione della capacità, ma `THDi` è utilizzato principalmente per calcolare la capacità totale.

Condizioni di Misurazione: Le misurazioni devono essere eseguite nella condizione tipica di massimo carico armonico. Se le condizioni di carico variano significativamente, è necessario misurare più condizioni tipiche e registrare lo scenario peggiore (THDi massimo).

Durata: Il tempo di misurazione deve essere sufficientemente lungo da coprire il ciclo operativo del carico.

2.2 Metodo Due: Stima Teorica (Minore precisione, adatta per una selezione preliminare o quando la misurazione effettiva non è possibile)

2.21 Consultare il Manuale dell’Apparecchiatura: Alcuni manuali di apparecchiature (come gli inverter) forniscono il THDi tipico della corrente di ingresso o lo spettro armonico.

2.22. Formule Empiriche/Valori Tipici:
Raddrizzatore a 6 Impulsi (senza reattore): `THDi` ≈ 30%-50%
Raddrizzatore a 6 Impulsi (con reattore CC): `THDi` ≈ 30%-40%
Raddrizzatore a 6 Impulsi (con reattore CA): `THDi` ≈ 30%-35%
Raddrizzatore a 12 Impulsi: `THDi` ≈ 10%-15%

2.23. UPS: `THDi` ≈ 25%-40%

2.24. Alimentatore a Commutazione ad Alta Frequenza: `THDi` può essere molto alto (>80%), ma il valore efficace effettivo della corrente potrebbe non essere grande.

2.25. Stima della Corrente Fondamentale: `I₁≈ S / (√3 * U * PF)`. Dove `S` è la potenza apparente del carico (kVA), `U` è la tensione di linea (V) e `PF` è il fattore di potenza del carico (0.7-0.9 può essere utilizzato per la stima). Notare che il fattore di potenza dei carichi non lineari è solitamente inferiore.

3. Calcolare il valore efficace della corrente armonica da compensare:

Esempio:
La corrente di ingresso misurata di un inverter I₁ = 100A, THDi = 40%. Quindi Ih = 100A * (40 / 100) = 40A. Ciò significa che l’AHF deve fornire almeno 40A di capacità di compensazione della corrente armonica.

4. Considerare le Esigenze di Compensazione della Potenza Reattiva:

Se l’AHF deve compensare sia le armoniche che la potenza reattiva (per migliorare il fattore di potenza), questo requisito deve essere incluso nel calcolo.

Determinare il valore efficace della corrente reattiva da compensare, `Iq` (A):

`Iq = I₁ * sin(φ)`, dove `φ` è l’angolo di fase di cui la corrente di carico è in ritardo rispetto alla tensione (`cosφ` è il fattore di potenza).

5. Considerare i Margini:

5.1 Margine di Fluttuazione del Carico: Il carico può cambiare e i livelli armonici possono superare momentaneamente il valore misurato. Si consiglia di aggiungere un margine del 15%-30%.

5.2 Margine di Espansione del Sistema: Considerare potenziali futuri aumenti di carico. Si consiglia di aggiungere un margine del 10%-20% (determinato in base al piano).

5.3 Margine di Capacità Propria dell’AHF: Gli AHF hanno tipicamente una certa capacità di sovraccarico a breve termine (es. sovraccarico del 150% per 1 minuto), ma la capacità nominale deve essere sufficiente per il funzionamento continuo.

5.4. Applicazione del Margine: Moltiplicare la corrente `Ih` o `Ic` calcolata nel passaggio 3 o 4 per il fattore di margine `K` (es. 1.2 – 1.5).

`I_ahf = Ih * K` (compensa solo le armoniche)
`I_ahf = Ic * K` (compensa sia armoniche che potenza reattiva)

6. Determinazione Finale della Corrente Nominale dell’AHF:

In base al risultato calcolato di `I_AHF`, selezionare un modello di AHF con una corrente nominale uguale o leggermente superiore a `I_ahf`.

Nota:

La capacità di un AHF è solitamente espressa in ampere (es. 50A, 100A, 300A).

A volte, la sua capacità di potenza apparente è espressa in kilovolt-ampere (`S_ahf = √3 * U * I_AHF`). Tuttavia, la corrente è la base più diretta per la selezione.

Il livello di tensione deve corrispondere alla tensione di sistema (es. 380V, 400V, 480V, 690V, ecc.).

Sintesi delle Considerazioni Chiave:

La corrente armonica è cruciale: Misurare o stimare accuratamente il valore efficace totale della corrente armonica (`Ih`) nel punto di compensazione target è fondamentale.

Requisiti di compensazione della potenza reattiva: Se è richiesta contemporaneamente la compensazione della potenza reattiva, la corrente reattiva (`Iq`) deve essere calcolata e sintetizzata vettorialmente con la corrente armonica (`Ic`).

Un margine sufficiente è essenziale: Le fluttuazioni del carico, l’espansione del sistema e le caratteristiche dell’AHF stesso richiedono tutte un margine sufficiente. È meglio peccare per eccesso di margini più grandi che più piccoli, ma si deve evitare uno spreco eccessivo.

La misurazione effettiva è preferita: Le stime teoriche hanno errori significativi; si raccomanda vivamente la misurazione effettiva della qualità dell’energia, specialmente in condizioni di carico complesse o variabili.

Tensione di sistema: La tensione nominale dell’AHF deve corrispondere alla tensione di sistema nel punto di installazione.

Temperatura ambiente: La capacità dell’AHF è tipicamente calibrata a una temperatura ambiente standard (es. 40°C). Se la temperatura ambiente di installazione è più alta, potrebbe essere necessario considerare la riduzione di potenza o la selezione di un modello di capacità maggiore. Topologia AHF: L’AHF parallelo è il più comune e la sua capacità è determinata come descritto sopra. Altri tipi (come serie e ibrido) hanno principi di determinazione della capacità simili, ma l’enfasi può differire.

Consultazione del Produttore: Informare il fornitore di AHF dei dati di misurazione, delle condizioni di carico e dei requisiti; di solito forniranno consulenza e calcoli di selezione professionali.

Sintesi della Formula Semplice (Solo Compensazione Armonica)

`Corrente Nominale AHF (I_ahf) ≥ [Valore Efficace Corrente Fondamentale (I₁) × Distorsione Armonica Totale (THDi%) / 100] × (1 + Fattore di Margine)`

Esempio: Per una barra di distribuzione a 380V, nella condizione operativa massima misurata:

`I₁ = 800A` `THDi = 25%`

È necessaria solo la compensazione armonica; il fattore di potenza target è accettabile. Considerando un margine di fluttuazione del carico del 20% e un margine esteso del 10%, il fattore di margine totale `K = 1.3`
Calcolo: `Ih = 800A * (25 / 100) = 200A`
`I_ahf = 200A * 1.3 = 260A`
Selezione: Scegliere un AHF parallelo da 380V con una corrente di compensazione nominale non inferiore a 260A (es. un modello da 300A).

Seguendo i passaggi e i metodi sopra indicati e considerando attentamente i margini in combinazione con la situazione effettiva, la capacità dell’AHF può essere determinata scientificamente e razionalmente, garantendone un funzionamento efficace, affidabile ed economico.