Afgestemde reactor (detuned filter) — de p-factor als bescherming tegen resonantie tussen condensatorbank en netharmonischen

De gids over vermogensfactorcorrectie behandelt waarom een condensatorbank een standaardoplossing is tegen een lage arbeidsfactor (cosφ) bij veel motorvermogen. De [gids over harmonischen & THD-grenswaarden](/guides/nen-1010/harmonischen-thd) noemt kort dat een standaard condensatorbank een bestaand THD-probleem door resonantie kan verergeren. Dit artikel gaat dieper in op hóé die resonantie ontstaat en hoe een afgestemde (detuned) reactor dit voorkomt.

Waarom een condensatorbank kan resoneren met netharmonischen

Een condensatorbank vormt samen met de impedantie van het net (in hoofdzaak de kortsluitimpedantie van de voedende transformator) een LC-parallelkring. Elke LC-combinatie heeft een resonantiefrequentie waarbij de inductieve en capacitieve reactantie elkaar opheffen. Als die resonantiefrequentie toevallig dicht bij een harmonische frequentie ligt die al in het net aanwezig is — doorgaans afkomstig van niet-lineaire belastingen zoals frequentieomvormers, LED-drivers of schakelende voedingen (zie de gids over harmonischen meten in de praktijk) — dan versterkt de LC-kring die harmonische stroom in plaats van hem te dempen. Het gevolg kan een fors hogere harmonische vervorming zijn dan zonder condensatorbank, met overbelasting en versnelde veroudering van de condensatoren als praktisch gevolg.

De oplossing: een reactor in serie, afgestemd onder de laagste relevante harmonische

Door een reactor (spoel) in serie met de condensatorbank te plaatsen, verschuift de resonantiefrequentie van de combinatie naar een lagere waarde dan die van de condensatorbank alleen. Wordt deze reactor zo gekozen dat de resulterende resonantiefrequentie onder de laagste harmonische orde ligt die in het net van betekenis is, dan gedraagt de combinatie zich voor die harmonische en alle hogere harmonischen als een inductieve impedantie in plaats van een resonerende of capacitieve impedantie — de bank versterkt de harmonische stroom dan niet meer, maar biedt er juist een zekere weerstand aan.

De p-factor en de bijbehorende afstemfrequentie

De mate van "detuning" wordt uitgedrukt als een percentage, de p-factor, gedefinieerd als de verhouding tussen de reactantie van de reactor en die van de condensator bij de netfrequentie. De resulterende afstemfrequentie volgt uit:

fr = f1 / √p (met p als decimale breuk, bijvoorbeeld 0,07 voor 7 %)

Voor een net van 50 Hz geeft dit de volgende veelgebruikte combinaties:

Let op: de exacte keuze van de p-factor voor een specifieke installatie hangt af van de dominante harmonische orde die met een netanalyzer is gemeten (zie de gids over harmonischen meten) en van de systeemstudie/opgave van de fabrikant volgens IEC 61642; de waarden in de tabel zijn veelgebruikte, ronde standaardwaarden, geen uitputtende lijst.

Waarom dit niet hetzelfde is als een actief of afgestemd harmonischenfilter

Een afgestemde reactor in serie met een condensatorbank voorkomt resonantie en biedt een zekere demping van harmonische stromen, maar is niet hetzelfde als een speciaal afgestemd filter dat op één specifieke harmonische orde is ontworpen om die harmonische actief weg te filteren, en ook niet hetzelfde als een actief harmonischenfilter dat harmonische stromen actief compenseert. Een gewone detuned-reactorbank blijft in de eerste plaats een blindvermogencompensatie-oplossing met resonantiebescherming, geen dedicated harmonischenfilter.

Praktische relevantie

Bij het specificeren van een condensatorbank voor blindvermogencompensatie in een installatie met een aanzienlijk aandeel niet-lineaire belasting (frequentieomvormers, LED-verlichting, UPS-systemen) is het zinvol om vooraf de harmonische samenstelling van het net te meten en op basis daarvan een condensatorbank met een passend afgestemde (detuned) reactor te specificeren, in plaats van een standaard, ongefilterde condensatorbank toe te passen die bij een ongelukkige combinatie van netimpedantie en harmonische belasting juist tot resonantie en overbelasting kan leiden.

Veelgemaakte fouten

1. Een standaard, ongefilterde condensatorbank toepassen in een net met een aanzienlijk aandeel niet-lineaire belasting, zonder te controleren of resonantie met een aanwezige harmonische mogelijk is.
2. Een p-factor kiezen zonder eerst de dominante harmonische orde in het net te meten — een reactor die niet is afgestemd op de daadwerkelijk aanwezige harmonische samenstelling kan zelf tot resonantieproblemen leiden of onnodig zwaar (en duur) uitvallen.
3. Een afgestemde reactor verwarren met een dedicated harmonischenfilter of een actief filter — een detuned reactor voorkomt resonantie en biedt enige demping, maar is geen op een specifieke harmonische afgestemde filteroplossing.
4. Aannemen dat een hogere p-factor altijd beter is — een onnodig hoge p-factor (bijvoorbeeld 14 % waar 7 % zou volstaan) vergroot de spanningsval over de reactor en daarmee de benodigde overspanning van de condensatoren, zonder dat dit voor de daadwerkelijke harmonische samenstelling nodig is.

Gerelateerd

• Vermogensfactorcorrectie (cosφ) bij veel motorvermogen
• Harmonischen & THD-grenswaarden voor grootverbruikers
• De nulleider bij derde-harmonische belasting
• Harmonischen meten in de praktijk — netkwaliteitsanalyzer, THD-I/THD-V en K-factor transformatorderating