Selezione della velocità di reattanza per reattori in serie nei banchi di condensatori

Introduzione

Reattori in serie (noti anche comereattori depotenziati) utilizzati con i banchi di condensatori di potenza hanno ampiamente dimostrato di essere efficaci nei sistemi di alimentazione di tutto il mondo per migliorare la compensazione della potenza reattiva, ridurre le perdite di linea, limitare le correnti di spunto di commutazione dei condensatori e sopprimere la distorsione armonica.

 

La scelta di un tasso di reattanza del reattore appropriato è fondamentale perché le correnti armoniche sono influenzate da molteplici fattori, tra cui le sorgenti armoniche della rete, l'impedenza del sistema e i parametri del banco di condensatori. Un tasso di reattanza inadeguato può causare risonanza, sovraccarico dei condensatori, surriscaldamento o guasto prematuro dell'apparecchiatura.

 

Questo articolo spiega i principi alla base della selezione della velocità di reattanza e fornisce una guida pratica per le applicazioni dei banchi di condensatori.

 

1. Limitazione della corrente di spunto di commutazione del condensatore

La corrente di spunto di commutazione dei condensatori è una delle cause più comuni di stress sui dispositivi di commutazionebanchi di condensatori. Una corrente di spunto eccessiva può danneggiare contattori, interruttori automatici, condensatori e altri componenti del sistema di alimentazione.

 

Durante l'eccitazione del banco di condensatori si verificano tipicamente due tipi di corrente di spunto:

Tipo 1: commutazione di un singolo banco di condensatori

Quando un banco di condensatori autonomo viene energizzato, la corrente di spunto risultante rientra solitamente nella capacità di resistenza consentita delle apparecchiature di commutazione standard. Nella maggior parte dei casi non sono necessarie ulteriori misure-di limitazione della corrente.

 

Tipo 2: commutazione tra banchi di condensatori da-a-indietro

Quando viene inserita una batteria di condensatori aggiuntiva mentre una o più batterie di condensatori sono già collegate al sistema, può verificarsi una corrente di spunto molto più elevata.

 

L'esperienza sul campo mostra che questa corrente transitoria può raggiungereDa 20 a 250 volte la corrente nominaledella batteria di condensatori.

La corrente di spunto può essere espressa come:

 

Dove:

(Q_C)=Potenza reattiva del condensatore

(X_L)=Reattanza induttiva del circuito

 

L'equazione mostra che aumentando la reattanza induttiva del circuito si riduce la corrente di spunto. Pertanto, l'installazione di un reattore in serie opportunamente selezionato limita efficacemente i picchi di commutazione e protegge sia i condensatori che le apparecchiature di commutazione.

 

2. Soppressione armonica e selezione della velocità di reattanza

I moderni sistemi di alimentazione contengono un gran numero di carichi non lineari, come:

• Azionamenti a frequenza variabile (VFD)
• Raddrizzatori
• Sistemi UPS
• Forni ad arco
• Convertitori di energia rinnovabile

 

Questi dispositivi generano correnti armoniche che distorcono la forma d'onda della tensione e influiscono negativamente sui banchi di condensatori.

 

Per migliorare la qualità dell'alimentazione e proteggere i condensatori, i reattori in serie vengono comunemente installati come reattori di soppressione delle armoniche.

 

Impatto delle armoniche sui banchi di condensatori

Una forma d'onda non-sinusoidale è costituita da una componente di frequenza fondamentale più frequenze armoniche che sono multipli interi della frequenza fondamentale.

 

Nei sistemi di potenza pratici, gli ordini armonici più significativi sono:

• 3a armonica
• 5a armonica
• 7° armonico
• 11° armonico
• 13° armonico

 

Tra questi, l'5a armonicasolitamente è la componente dominante.

 

Considera un sistema contenente solo la tensione fondamentale e una componente di tensione della quinta armonica. Se la tensione della 5a armonica raggiunge il 26,45% della tensione nominale:

• La sovratensione del condensatore raggiunge circa il 3,4%
• La sovracorrente del condensatore raggiunge circa il 65,6%
• Il sovraccarico della potenza reattiva raggiunge circa il 35%

 

Questi valori dimostrano chiaramente il grave impatto delle armoniche sul funzionamento del banco di condensatori.

 

3. Analisi della risonanza

La corrente armonica può essere calcolata come:

Dove:

• (E_n)=Tensione armonica
• (X_B)=Impedenza del sistema
• (X_L)=Reattanza del reattore
• (X_C)=Reattanza del condensatore
• (n)=Ordine armonico

 

La risonanza si verifica quando:

 

Le corrispondenti condizioni di risonanza:

Per evitare la risonanza e sopprimere efficacemente le correnti armoniche, è necessario soddisfare la seguente condizione:

 

Ciò garantisce che il ramo del condensatore presenti caratteristiche induttive alla frequenza armonica target, prevenendo così l'amplificazione armonica.

 

4. Determinazione della velocità di reattanza del reattore

Nella pratica ingegneristica viene comunemente applicato un fattore di sicurezza pari a 1,5:

 

Per la soppressione della 5a armonica:

Il tasso di reattanza (K) è definito come:

Dove:

(K)=Tasso di reattanza del reattore

(X_L)=Reattanza-fondamentale del reattore di frequenza

(X_C)=Reattanza del condensatore di frequenza-fondamentale

 

Pertanto, aTasso di reattanza del 6%.dissintonizza efficacemente il banco di condensatori al di sotto della frequenza della quinta armonica, sopprime le armoniche del quinto-ordine e quelle superiori e limita la corrente di spunto di commutazione a circa cinque volte la corrente nominale.

 

5. Guida alla selezione della velocità di reattanza standard

Tasso di reattanza 0,1% – 1%.

Applicazione:

• Solo limitazione della corrente di spunto
• Nessun requisito di soppressione delle armoniche

 

Uso tipico:

• Sistemi di alimentazione puliti a bassissimo contenuto armonico
• Limitazione della corrente di corto-circuito

 

Tasso di reattanza 4,5% – 6%.

Applicazione:

• Soppressione delle armoniche del 5°-ordine e superiori

 

Uso tipico:

• Impianti industriali
• Edifici commerciali
• Sistemi generali di compensazione della potenza reattiva

 

Tasso di reattanza più comunemente selezionato

Tasso di reattanza 12% – 13%.

Applicazione:

• Soppressione delle armoniche del terzo-ordine e superiori

 

Uso tipico:

• Sistemi con contenuto significativo di terza armonica
• Progetti speciali di mitigazione armonica

 

Frequenza di sistema applicabile

• Sistemi di alimentazione a 50 Hz
• Sistemi di alimentazione a 60 Hz

 

Conclusione

I reattori in serie sono un componente essenziale dei moderni banchi di condensatori, poiché forniscono una protezione efficace contro le correnti di spunto di commutazione, la distorsione armonica e i problemi di risonanza, migliorando al contempo la qualità complessiva dell'alimentazione e l'efficienza energetica.

 

Il tasso di reattanza deve essere sempre selezionato in base alle condizioni effettive del sito e alle misurazioni armoniche:

• Tasso di reattanza del 6%.è generalmente consigliato per la soppressione delle armoniche e la protezione dei banchi di condensatori.
• Reattori con nucleo-d'aria da 0,2%–1%.sono adatti quando l'obiettivo principale è limitare la corrente di spunto di commutazione e, in misura minore, ridurre la corrente di cortocircuito.
• Tassi di reattanza del 12% –13%.sono consigliati per applicazioni che richiedono la soppressione di armoniche significative del 3°-ordine.

 

La corretta selezione del reattore garantisce un funzionamento affidabile, una maggiore durata di servizio dei condensatori, migliori prestazioni di correzione del fattore di potenza e una migliore qualità dell'alimentazione in tutto il sistema elettrico.