Resonans Harmonik Transformer: Apabila Pembetulan Faktor Kuasa Berfungsi Terhadap Transformer

Seorang jurutera loji di Ohio menghantar imbasan haba kepada kami pada November lalu. Unit jenis kering 1,500 kVA, berjalan pada kira-kira dua pertiga daripada beban papan namanya, dengan titik panas berliku terletak kira-kira 22 darjah di atas apa yang dibenarkan oleh lengkung beban. Transformer telah lulus ujian rutinnya tiga tahun lebih awal dan tiada dalam failnya menjelaskan haba. Puncanya ialah bank kapasitor 600 kvar dua teluk jauhnya, melakukan kerja yang telah dibeli untuk dilakukan.

Resonans harmonik pengubahhampir tidak pernah muncul dalam laporan kegagalan. Ia kelihatan sebagai pengubah panas, fius kapasitor yang bertiup tanpa rekod kesalahan, bar neutral yang berubah warna dan pasukan penyelenggaraan yang terus menggantikan bahagian yang sama. Di bawah ialah mekanisme, aritmetik yang memberitahu anda sama ada tapak anda terdedah dan perkara yang perlu diubah dalam spesifikasi sebelum unit seterusnya dipesan.

Apakah Resonans Harmoni Transformer Sebenarnya

Setiap pengubah mempunyai impedans sumber. Setiappembetulan faktor kuasabank mempunyai kapasiti. Letakkan kedua-duanya pada bas yang sama dan anda telah membina litar resonans selari, biasanya tanpa berniat untuk melakukannya.

Pada frekuensi resonans litar itu memberikan impedans yang sangat tinggi kepada arus harmonik yang keluar daripada beban tak linear. Arus tersebut tidak boleh mengalir kembali ke arah sumber, jadi ia beredar di antara tebing kapasitor dan belitan pengubah. Herotan voltan meningkat, arus kapasitor meningkat, dan pengubah menyerap kerugian harmonik yang tidak pernah direka untuk dibawa. Susunan resonan ialah pengiraan dua baris:

h=√(Ssc / Qc), dengan Ssc ialah kapasiti litar pintas pengubah dalam kVA (plat nama kVA dibahagikan dengan galangan per unit) dan Qc ialah penarafan bank kapasitor dalam kvar.

Formula ini sengaja anggaran, dan penghampiran itu adalah titik. Tin kapasitor dibina pada sekitar ±10% toleransi kemuatan dan impedans pengubah membawa toleransi pembuatannya sendiri. Oleh itu, susunan resonan yang anda kira ialah jalur, bukan garis. Bank yang kelihatan selamat dalam hamparan boleh duduk tepat pada harmonik ke-5 atau ke-7 sebaik sahaja ia ditenagakan di dalam kilang.

Nombor: Apabila Bank Kapasitor Menala Transformer Anda

Ambil unit perindustrian Amerika Utara biasa: 1,500 kVA, 480 V, impedans 5.75%. Kapasiti litar pintas ialah 1,500 / 0.0575, atau kira-kira 26.1 MVA. Sekarang tambahkan kapasitor pembetulan dalam langkah-langkah yang sebenarnya akan dipasang oleh loji dan perhatikan di mana titik resonans mendarat.

Sebuah bank 600 kvar menala pengubah itu kepada kira-kira harmonik ke-6.6, dan harmonik ke-7 yang dihasilkan oleh mana-mana pacuan enam nadi di bas mendarat dalam beberapa peratus daripada puncak. Geometri itu adalah buku teksresonans harmonik pengubahkes. Pada tapak dengannya, kami secara rutin melihat arus kapasitor pada 1.5 hingga 2.5 kali papan nama, suhu bekas kapasitor jauh melebihi ambien, dan voltan THD melintasi had 5% pada titik gandingan biasa.

Inilah bahagian yang kebanyakan pembeli terlepas. Pengubah biasanya merupakan komponen terakhir yang dipersalahkan dan yang pertama rosak. Suhu tempat panas meningkat secara senyap, penebat menua lebih cepat daripada jangka hayat reka bentuk, dan unit itu gagal bertahun-tahun lebih awal - dengan laporan ujian kilang yang mengatakan setiap parameter berada dalam toleransi pada hari ia dihantar.

Mengapa Beban Ditambah Sejak 2020 Menjadikan Resonans Lebih Berkemungkinan

Kebanyakan loji yang membawa risiko ini direka bentuk untuk beban linear: motor, pemanasan rintangan, pencahayaan lama. Kapasitor pembetulan telah ditambah kerana bil utiliti memintanya, bersaiz dengan beban motor dan bertukar dalam beberapa langkah. Kemudian beban berubah di bawah reka bentuk.

Pemacu frekuensi boleh ubah pada pam dan kipas. Penerus enam nadi dalam pengecas EV dipasang pada perkhidmatan yang tidak pernah dimodelkan untuk mereka. Pemacu LED, bekalan kuasa pelayan, pemanasan aruhan. Kemudahan yang mungkin 10% tak linear pada tahun 2005 boleh menjadi 60% tak linear hari ini, masih menjalankan pengubah yang sama dan bank kapasitor yang sama.

Had tidak bergerak dengan beban. IEEE 519-2022 masih meminta voltan THD sebanyak 5% pada titik gandingan biasa pada sistem daripada 1 kV hingga 69 kV, dan 8% pada sistem pada atau di bawah 1 kV, dengan had herotan arus yang diskalakan mengikut nisbah arus litar pintas kepada arus beban. Jadual had penuh diterbitkan padaHalaman standard IEEE 519-2022.

Bagaimana Transformer Membayar Bil

Arus harmonik mencecah pengubah di tiga tempat. Kehilangan arus pusar dalam belitan meningkat secara kasar dengan kuasa dua susunan harmonik. Kerugian sesat dalam pengapit teras, dinding tangki dan keluli struktur meningkat lebih cepat. Dan pada sistem empat wayar neutral membawa harmonik tiga kali ganda yang menambah dan bukannya membatalkan, itulah sebabnya neutral terlalu panas pada beban di mana tiada siapa menjangkakan masalah neutral.

Itulah sebab IEEE C57.110 wujud: ia mentakrifkan cara mengurangkan keupayaan pengubah apabila arus beban adalah bukan sinus. Unit 1,500 kVA dengan penilaian K-1 biasa bukan unit 1,500 kVA pada bas dengan herotan semasa 40%. UL 1561 menghampiri masalah yang sama dari bahagian produk dengan penarafan faktor K - K-4, K-13 dan K-20 - masing-masing menerangkan berapa banyak pemanasan harmonik yang boleh diserap oleh reka bentuk tertentu tanpa melebihi had suhu penebatnya. Inilah titik di manaresonans harmonik pengubahbertukar menjadi item baris dalam belanjawan penyelenggaraan.

Gejala-gejala itu sampai kepada kami dalam susunan yang agak boleh diramalkan:

• Fius kapasitor bertiup tanpa kesalahan direkodkan di mana-mana
• Tahap bunyi pengubah meningkat dan menjadi lebih kasar selama berbulan-bulan
• Konduktor neutral dan pembumian berubah warna pada penamatan
• Penggera suhu berliku pada hari yang sebenarnya tidak panas
• Memandu tersandung bas yang lulus pentauliahan tanpa aduan

Empat Cara untuk Spec Sekitar Resonans

Tiada pembaikan tunggal. Jawapan yang betul bergantung pada sama ada anda sedang membina baru atau membetulkan loji sedia ada, dan pada ukuran yang sebenarnya menunjukkan dan bukannya apa yang ditunjukkan oleh gambar rajah garis tunggal. Peralatan pembetulan biasanya dipasang oleh kontraktor yang tidak pernah melihat impedans transformer, yang betul-betul bagaimanapembetulan faktor kuasamenjadi pencetus.

Reaktor terputus.Reaktor siri 7% di hadapan bank menggerakkan resonans siri kepada kira-kira harmonik ke-3.8, di bawah sebarang harmonik ciri yang dihasilkan oleh beban enam nadi. Bank itu kemudiannya menyerap arus harmonik ke-5 dan ke-7 dan bukannya menguatkannya. Pertukaran adalah nyata: tin mesti membawa penarafan voltan yang lebih tinggi, biasanya kapasitor 525 V pada sistem 480 V, dan reaktor menambah kehilangan dan haba di dalam kepungan.

Pengubah berkadar K.Penggulungan K-4, K-13 atau K-20 dengan neutral bersaiz dua tidak menghilangkan resonans, tetapi ia menghalang pengubah daripada menjadi komponen yang gagal dahulu. Nyatakan apabila bahagian tak linear dijangka kekal tinggi.

Pisahkan atau pijak bank.Dua langkah 300 kvar ditukar secara bebas menjauhkan mana-mana titik resonan daripada harmonik ciri dan memotong arus beredar pada setiap langkah. Ia adalah pengubahsuaian paling murah apabila bank sudah bersaiz besar.

Penapis ditala atau aktif.Sebaik sahaja THD diukur melebihi had 519, cawangan pasif yang ditala pada ke-5 dan ke-7, atau penapis aktif, adalah satu-satunya pilihan yang mengembalikan tapak itu kepada pematuhan. Areaktor terputusmelindungi peralatan; ia tidak membetulkan tapak yang sudah di luar had.

Soalan Yang Kami Tanya Sebelum Kami Petik Impedans

Impedans ialah pembolehubah yang sebenarnya dikawal oleh pengeluar pengubah, jadi spesifikasi harus ditetapkan dengan pandangan sistem yang lain. Apabila pembeli tidak dapat menjawab soalan di bawah, nilai impedans dalam lembaran data adalah tekaan.

• Apakah penarafan bank kapasitor, dan adakah ia ditukar mengikut langkah?
• Apakah bahagian beban bersambung bukan linear - pemacu, penerus, pengecas, UPS?
• Adakah terdapat ukuran kualiti kuasa, atau hanya bil utiliti?
• Adakah neutral dimuatkan, dan apakah kandungan tiga kali ganda yang dijangkakan?
• Adakah spesifikasi memerlukan pengiraan faktor K atau penurunan nilai bagi setiap IEEE C57.110?

Kemudian impedans, faktor K dan saiz neutral ditetapkan bersama. Dua unit boleh kelihatan sama pada papan nama - kVA yang sama, nisbah voltan yang sama - dan tidak berkelakuan sama pada bas pandu berat. Impedans peratusan bergerak juga menggerakkan susunan resonans, itulah sebabnya kami tidak melaraskannya tanpa jadual bank di tangan.

Tempat Ryan Electric Sesuai

Kami membina transformer jenis kering dan terendam minyak di loji seluas 120,000 m² di Jiangsu dengan 180+ set peralatan pengeluaran dan 37 paten, dan kami melakukan penghantaran terhadap skim UL, CSA atau IEC bergantung pada destinasi. Sejak 2023 kami telah beroperasi sebagai rakan kongsi usaha sama Eaton, yang bermaksud ulasan reka bentuk kami dijalankan mengikut kriteria terma dan harmonik yang sama yang digunakan oleh jurutera rakan kongsi kami.

Tabiat praktikal adalah mudah. Apabila projek termasuk bank kapasitor, kami meminta jadual bank dan profil beban sebelum reka bentuk penggulungan dikeluarkan. Ia berharga satu e-mel, dan ia telah menangkap lebih daripada satu spesifikasi yang akan meletakkan titik resonan terus pada harmonik ke-7. Hantarkan kepada kami rajah satu baris, penarafan bank dan profil beban melaluiryan-transformers.com. Kami akan kembali dengan cadangan impedans, kedudukan reaktor jika diperlukan, dan pelan ujian - dan kami akan memberitahu anda apabila jawapan yang jujur ​​ialah penapis harmonik dan bukannya pengubah yang lebih besar.

Mengenai Pengarang:Artikel ini ditulis oleh pasukan kejuruteraan di Ryan Electric, rakan usaha sama Eaton dan pengilang pengubah diperakui UL/CSA di Jiangsu, China, membekalkan transformer jenis kering, tenggelam minyak dan pad dipasang ke pusat data, projek perindustrian dan utiliti di seluruh Amerika Utara, Timur Tengah dan Asia Tenggara.