Dławik odstrojony (detuned) — współczynnik p jako ochrona przed rezonansem między baterią kondensatorów a harmonicznymi sieci

Poradnik o korekcji współczynnika mocy opisuje, dlaczego bateria kondensatorów jest standardowym rozwiązaniem przeciw niskiemu współczynnikowi mocy (cosφ) przy dużym udziale mocy silnikowej. Poradnik o harmonicznych i granicach THD wspomina krótko, że zwykła bateria kondensatorów może pogorszyć istniejący problem THD poprzez rezonans. Ten artykuł zagłębia się w to, jak powstaje ten rezonans i jak dławik odstrojony temu zapobiega.

Dlaczego bateria kondensatorów może wejść w rezonans z harmonicznymi sieci

Bateria kondensatorów tworzy wraz z impedancją sieci (głównie impedancją zwarciową transformatora zasilającego) równoległy obwód LC. Każda kombinacja LC ma częstotliwość rezonansową, przy której reaktancja indukcyjna i pojemnościowa znoszą się wzajemnie. Jeśli ta częstotliwość rezonansowa znajdzie się przypadkowo blisko częstotliwości harmonicznej już obecnej w sieci — zazwyczaj pochodzącej z odbiorników nieliniowych, takich jak przemienniki częstotliwości, zasilacze LED czy zasilacze impulsowe (zob. poradnik o pomiarze harmonicznych w praktyce) — obwód LC wzmacnia ten prąd harmoniczny zamiast go tłumić. Skutkiem może być znacznie wyższe zniekształcenie harmoniczne niż bez baterii kondensatorów, z przeciążeniem i przyspieszonym starzeniem kondensatorów jako praktyczną konsekwencją.

Rozwiązanie: dławik szeregowy, odstrojony poniżej najniższej istotnej harmonicznej

Umieszczając dławik (cewkę) szeregowo z baterią kondensatorów, częstotliwość rezonansowa kombinacji przesuwa się do wartości niższej niż sama bateria kondensatorów. Jeśli dławik ten zostanie dobrany tak, że wynikowa częstotliwość rezonansowa leży poniżej najniższego rzędu harmonicznej istotnego w sieci, kombinacja zachowuje się dla tej harmonicznej i wszystkich wyższych harmonicznych jak impedancja indukcyjna, a nie rezonansowa czy pojemnościowa — bateria nie wzmacnia już wtedy prądu harmonicznego, lecz przeciwnie, stawia mu pewien opór.

Współczynnik p i odpowiadająca mu częstotliwość strojenia

Stopień "odstrojenia" wyraża się procentowo jako współczynnik p, zdefiniowany jako stosunek reaktancji dławika do reaktancji kondensatora przy częstotliwości sieciowej. Wynikowa częstotliwość strojenia wynika ze wzoru:

fr = f1 / √p (gdzie p jako ułamek dziesiętny, na przykład 0,07 dla 7%)

Dla sieci 50 Hz daje to następujące powszechnie stosowane kombinacje:

Uwaga: dokładny dobór współczynnika p dla konkretnej instalacji zależy od dominującego rzędu harmonicznej zmierzonego analizatorem sieci (zob. poradnik o pomiarze harmonicznych) oraz od studium systemowego/specyfikacji producenta zgodnie z IEC 61642; wartości w tabeli to powszechnie stosowane, zaokrąglone wartości standardowe, a nie wyczerpująca lista.

Dlaczego to nie to samo co aktywny lub strojony filtr harmonicznych

Dławik odstrojony szeregowo z baterią kondensatorów zapobiega rezonansowi i zapewnia pewne tłumienie prądów harmonicznych, ale nie jest tym samym co dedykowany filtr strojony, zaprojektowany dla jednego konkretnego rzędu harmonicznej w celu aktywnego jej odfiltrowania, ani tym samym co aktywny filtr harmonicznych, który aktywnie kompensuje prądy harmoniczne. Zwykła bateria z dławikiem odstrojonym pozostaje przede wszystkim rozwiązaniem do kompensacji mocy biernej z ochroną rezonansową, a nie dedykowanym filtrem harmonicznych.

Znaczenie praktyczne

Przy doborze baterii kondensatorów do kompensacji mocy biernej w instalacji ze znacznym udziałem odbiorników nieliniowych (przemienniki częstotliwości, oświetlenie LED, systemy UPS) warto najpierw zmierzyć skład harmoniczny sieci i na tej podstawie dobrać baterię kondensatorów z odpowiednio odstrojonym dławikiem, zamiast stosować standardową, niefiltrowaną baterię kondensatorów, która przy niekorzystnej kombinacji impedancji sieci i obciążenia harmonicznego może wręcz doprowadzić do rezonansu i przeciążenia.

Częste błędy

1. Stosowanie standardowej, niefiltrowanej baterii kondensatorów w sieci ze znacznym udziałem odbiorników nieliniowych, bez sprawdzenia, czy możliwy jest rezonans z obecną harmoniczną.
2. Dobieranie współczynnika p bez uprzedniego zmierzenia dominującego rzędu harmonicznej w sieci — dławik nieodstrojony do rzeczywiście obecnego składu harmonicznego może sam prowadzić do problemów rezonansowych lub okazać się niepotrzebnie ciężki (i drogi).
3. Mylenie dławika odstrojonego z dedykowanym filtrem harmonicznych lub filtrem aktywnym — dławik odstrojony zapobiega rezonansowi i zapewnia pewne tłumienie, ale nie jest rozwiązaniem filtrującym strojonym na konkretną harmoniczną.
4. Zakładanie, że wyższy współczynnik p jest zawsze lepszy — niepotrzebnie wysoki współczynnik p (np. 14% tam, gdzie wystarczyłoby 7%) zwiększa spadek napięcia na dławiku, a tym samym wymaganą wytrzymałość napięciową kondensatorów, bez konieczności wynikającej z rzeczywistego składu harmonicznego.

Powiązane

• Korekcja współczynnika mocy (cosφ) przy dużym udziale mocy silnikowej
• Harmoniczne i granice THD dla dużych odbiorców
• Przewód neutralny pod obciążeniem 3. harmoniczną
• Pomiar harmonicznych w praktyce — analizator jakości sieci, THD-I/THD-V i derating transformatora wg współczynnika K