Как рассчитать и выбрать емкость активного фильтра гармоник?

Определение емкости (номинального тока) АФГ (активного фильтра гармоник) является наиболее критическим этапом выбора. Недостаточная емкость приведет к плохой компенсации или даже к перегрузке и повреждению оборудования, в то время как избыточная емкость приведет к неоправданным инвестициям. Ниже приведены основные этапы и методы определения емкости АФГ:

Основной принцип: Номинальная емкость АФГ (обычно выражается в амперах) должна быть больше или равна действующему значению векторной суммы токов гармоник и реактивных токов, которые он должен компенсировать, с соответствующим запасом.

Этапы определения емкости АФГ

1. Определение цели компенсации:

Одиночная нелинейная нагрузка: например, частотные преобразователи, индукционные печи средней частоты, крупные ИБП, выпрямительные установки и т.д. Это идеальная ситуация.

Группа нелинейных нагрузок: например, несколько частотных преобразователей на нескольких производственных линиях.

Вся система распределения электроэнергии / сборная шина: Компенсация суммарного тока гармоник, генерируемого всеми нагрузками на этой шине. Это наиболее распространенная ситуация.

2. Получение данных о токе гармоник:

2.1 Метод 1: Фактические измерения (наиболее точный, настоятельно рекомендуется)

2.11 Используйте профессиональный анализатор качества электроэнергии (например, Fluke, Hioki, YOKOGAWA и т.д.).

2.12 Выполните измерения в целевой точке компенсации (например, на входных клеммах нелинейной нагрузки, на компенсируемой сборной шине).

2.13 Измерьте ключевые параметры:

Среднеквадратичное значение тока основной частоты: `I₁` (A)

Коэффициент нелинейных искажений тока: `THDi` (%) — Это отношение суммарного СКЗ тока гармоник к СКЗ тока основной частоты.

Содержание токов гармоник: `I₅`, `I₇`, `I₁₁`, `I₁₃` и т.д. (A или %) — Понимание спектрального распределения полезно для стратегий управления АФГ и проектирования емкости, но `THDi` в основном используется для расчета общей емкости.

Условия измерений: Измерения должны проводиться в условиях типичной максимальной гармонической нагрузки. Если условия нагрузки существенно изменяются, следует измерить несколько типичных режимов и зафиксировать наихудший случай (максимальный THDi).

Продолжительность: Время измерения должно быть достаточно длительным, чтобы охватить рабочий цикл нагрузки.

2.2 Метод 2: Теоретическая оценка (менее точная, подходит для предварительного выбора или когда фактические измерения невозможны)

2.21 Обратитесь к руководству по эксплуатации оборудования: В руководствах к некоторому оборудованию (например, к частотным преобразователям) могут быть указаны типовые значения THDi входного тока или спектр гармоник.

2.22. Эмпирические формулы / типовые значения:
6-импульсный выпрямитель (без реактора): `THDi` ≈ 30%-50%
6-импульсный выпрямитель (с реактором постоянного тока): `THDi` ≈ 30%-40%
6-импульсный выпрямитель (с реактором переменного тока): `THDi` ≈ 30%-35%
12-импульсный выпрямитель: `THDi` ≈ 10%-15%

2.23. ИБП: `THDi` ≈ 25%-40%

2.24. Высокочастотный импульсный источник питания: `THDi` может быть очень высоким (>80%), но фактическое действующее значение тока может быть небольшим.

2.25. Оценка тока основной частоты: `I₁≈ S / (√3 * U * PF)`. Где `S` — полная мощность нагрузки (кВА), `U` — линейное напряжение (В), а `PF` — коэффициент мощности нагрузки (для оценки можно использовать 0.7-0.9). Обратите внимание, что коэффициент мощности нелинейных нагрузок обычно ниже.

3. Расчет СКЗ тока гармоник, подлежащего компенсации:

Пример:
Измеренный входной ток частотного преобразователя I₁ = 100A, THDi = 40%. Тогда Ih = 100A * (40 / 100) = 40A. Это означает, что АФГ должен обеспечить способность компенсации тока гармоник не менее 40A.

4. Учет потребности в компенсации реактивной мощности:

Если АФГ должен компенсировать как гармоники, так и реактивную мощность (для улучшения коэффициента мощности), это требование должно быть включено в расчет.

Определите действующее значение реактивного тока, подлежащего компенсации, `Iq` (A):

`Iq = I₁ * sin(φ)`, где `φ` — фазовый угол отставания тока нагрузки от напряжения (`cosφ` — коэффициент мощности).

5. Учет запасов:

5.1 Запас на колебания нагрузки: Нагрузка может изменяться, и уровни гармоник могут временно превышать измеренное значение. Рекомендуется добавить запас 15%-30%.

5.2 Запас на расширение системы: Учитывайте возможное будущее увеличение нагрузки. Рекомендуется добавить запас 10%-20% (определяется в соответствии с планом).

5.3 Запас по собственной емкости АФГ: АФГ обычно имеют определенную кратковременную перегрузочную способность (например, 150% перегрузки в течение 1 минуты), но номинальная емкость должна быть достаточной для непрерывной работы.

5.4. Применение запаса: Умножьте ток `Ih` или `Ic`, рассчитанный на этапе 3 или 4, на коэффициент запаса `K` (например, 1.2 — 1.5).

`I_ahf = Ih * K` (только компенсация гармоник)
`I_ahf = Ic * K` (компенсация как гармоник, так и реактивной мощности)

6. Окончательное определение номинального тока АФГ:

Основываясь на рассчитанном результате `I_AHF`, выберите модель АФГ с номинальным током, равным или немного превышающим `I_ahf`.

Примечание:

Емкость АФГ обычно выражается в амперах (например, 50A, 100A, 300A).

Иногда его полная мощность выражается в киловольт-амперах (`S_ahf = √3 * U * I_AHF`). Однако ток является наиболее прямой основой для выбора.

Уровень напряжения должен соответствовать напряжению системы (например, 380V, 400V, 480V, 690V и т.д.).

Сводка ключевых соображений:

Ток гармоник имеет решающее значение: Точное измерение или оценка общего действующего значения тока гармоник (`Ih`) в целевой точке компенсации является основополагающим.

Требования к компенсации реактивной мощности: Если требуется одновременная компенсация реактивной мощности, необходимо рассчитать реактивный ток (`Iq`) и выполнить векторное суммирование с током гармоник (`I`).

Достаточный запас обязателен: Колебания нагрузки, расширение системы и характеристики самого АФГ — все это требует достаточного запаса. Лучше ошибиться в сторону большего запаса, чем меньшего, но следует избегать чрезмерных потерь.

Предпочтительны фактические измерения: Теоретические оценки имеют значительные погрешности; настоятельно рекомендуются фактические измерения качества электроэнергии, особенно при сложных нагрузках или переменных условиях эксплуатации.

Напряжение системы: Номинальное напряжение АФГ должно соответствовать напряжению системы в точке установки.

Температура окружающей среды: Емкость АФГ обычно калибруется при стандартной температуре окружающей среды (например, 40°C). Если температура окружающей среды в месте установки выше, может потребоваться снижение номинальных параметров или выбор модели большей емкости. Топология АФГ: Параллельный АФГ является наиболее распространенным, и его емкость определяется, как описано выше. Другие типы (например, последовательные и гибридные) имеют аналогичные принципы определения емкости, но акценты могут различаться.

Консультация с производителем: Сообщите поставщику АФГ ваши измерительные данные, условия нагрузки и требования; они обычно предоставят профессиональные рекомендации и расчеты по выбору.

Сводка простых формул (только компенсация гармоник)

`Номинальный ток АФГ (I_ahf) ≥ [СКЗ тока основной частоты (I₁) × Коэффициент нелинейных искажений тока (THDi%) / 100] × (1 + Коэффициент запаса)`

Пример: Для распределительной шины 380V при измеренном максимальном рабочем режиме:

`I₁ = 800A` `THDi = 25%`

Требуется только компенсация гармоник; целевой коэффициент мощности приемлем. Учитывая 20% запас на колебания нагрузки и 10% запас на расширение, общий коэффициент запаса `K = 1.3`
Расчет: `Ih = 800A * (25 / 100) = 200A`
`I_ahf = 200A * 1.3 = 260A`
Выбор: Выберите параллельный АФГ на 380V с номинальным током компенсации не менее 260A (например, модель на 300A).

Следуя вышеуказанным этапам и методам, а также тщательно учитывая запасы в соответствии с реальной ситуацией, можно научно и обоснованно определить емкость АФГ, обеспечив его эффективную, надежную и экономичную работу.