التوافقيات ومكثفات معامل القدرة: فهم الفشل, الرنين وحل التصفية

مقدمة

تعد مكثفات تصحيح معامل القدرة من بين أكثر قطع المعدات الكهربائية المثبتة على نطاق واسع في المنشآت الصناعية والتجارية. والغرض منها واضح ومباشر، وهو التعويض عن الطاقة التفاعلية التي تسحبها الأحمال الحثية, تقليل التيار في كابلات التوزيع والمحولات, وتجنب الغرامات المالية التي تفرضها المرافق على المرافق ذات معامل الطاقة الضعيف. لعقود من الزمن, في عالم تهيمن عليه الأحمال الخطية مثل المحركات, محولات, والإضاءة, لقد أدوا هذا الدور بشكل موثوق وفعال من حيث التكلفة.

الاعتماد على نطاق واسع لمحركات الأقراص ذات السرعة المتغيرة, إمدادات الطاقة في وضع التبديل, وغيرها من الأحمال غير الخطية غيرت هذه الصورة بشكل جذري. في المصنع حيث تكون نسبة كبيرة من الحمل غير خطية, إن تركيب مكثفات تصحيح معامل القدرة دون مراعاة التشوه التوافقي هو أمر أسوأ من كونه غير فعال - فهو أمر خطير للغاية. المكثفات التي تم تحديدها بشكل صحيح, مثبتة, والتشغيل بدون مشكلة لسنوات يمكن أن يبدأ بالفشل بشكل متكرر وبشكل غير متوقع بمجرد تقديم الأحمال غير الخطية أو توسيعها. تنفجر الصمامات دون سبب واضح. حالات المكثفات تنتفخ أو تتمزق. المحولات تعمل على الساخن. تنطلق مرحلات الحماية عند التيار الزائد دون وجود خطأ في جانب التحميل. السبب الجذري في معظم الحالات هو نفسه: الرنين التوافقي.

تشرح هذه المقالة سبب تصرف مكثفات معامل القدرة بالطريقة التي تعمل بها في البيئات التوافقية, ما هو الرنين وكيفية حساب الظروف التي يحدث فيها, كيف تبدو أعراض الرنين الميدانية, وما هي الحلول الهندسية - بدءًا من مجموعات المكثفات المفككة وحتى المرشحات التوافقية السلبية إلى المرشحات التوافقية النشطة. يتم توفير دليل اختيار عملي لمساعدة المهندسين على اختيار النهج الصحيح للتركيب الخاص بهم.

ملاحظة حول النطاق: إن مسألة عامل القدرة الحقيقي مقابل عامل قدرة الإزاحة - والجمع الأمثل بين الترشيح السلبي والنشط لتحقيق كل من التصحيح التوافقي وعامل قدرة الوحدة - هي موضوع عميق بما يكفي لتبرير معالجته المخصصة وسيتم تناولها في مقالة لاحقة في هذه السلسلة.

01 أساسيات تصحيح معامل القدرة

عامل القدرة هو مقياس لمدى فعالية تحويل الطاقة الكهربائية إلى عمل مفيد - نسبة الطاقة النشطة \(P\) (واط) إلى السلطة واضحة \(S\) (فولت أمبير):

\[PF = \frac{P}{S} = \frac{P}{V \cdot I}\]

عامل القدرة 1.0 يعني أن كل التيار المستمد من العرض يساهم في عمل مفيد. ويعني عامل القدرة الأقل من الوحدة أن جزءًا من التيار يدور بين المصدر والحمل دون أداء أي عمل, زيادة الخسائر في الكابلات, محولات, والمفاتيح الكهربائية دون المساهمة في الإنتاج.

عامل قوة الإزاحة

في نظام جيبي بحت مع الأحمال الخطية, تدهور عامل الطاقة له سبب واحد: إزاحة الطور بين الجهد والتيار الناتج عن الأحمال الحثية. عامل قوة الإزاحة هو:

\[DPF = \cos\phi\]

هذا هو عامل الطاقة الذي تقيسه العدادات الكهروميكانيكية التقليدية, والكمية التي استخدمتها معظم هياكل تعريفة المرافق تاريخياً لعقوبات عامل الطاقة. تقوم بنوك المكثفات بتصحيح عامل قدرة الإزاحة عن طريق توفير التيار التفاعلي الذي يتطلبه الحمل الاستقرائي محليًا. الطاقة التفاعلية المطلوبة هي:

\[Q_C = P \left(\tan\phi_1 – \tan\phi_2\right)\]

حيث \(P\) هو متوسط الطاقة النشطة خلال فترة القياس - وليس الذروة اللحظية - لتجنب زيادة حجم بنك المكثف.

عامل القدرة التشويه وعامل القدرة الحقيقي

في نظام يحتوي على أحمال غير خطية, يحتوي شكل الموجة الحالي على مكونات توافقية بمضاعفات صحيحة للأساسيات. تساهم هذه التيارات التوافقية في قيمة RMS للتيار الإجمالي ولكنها لا تحمل طاقة نشطة صافية عند التردد الأساسي. عامل الطاقة الحقيقي للحمل غير الخطي هو:

\[PF_{صحيح} = DPF \times \dfrac{1}{\com.sqrt{1 + ثد_أنا^{\,2}}}\]

محرك ذو تردد متغير 6 نبضات عند التحميل الكامل \(THD_I = 35\%\) لديه عامل تشويه تقريبا 0.944. حتى مع تصحيح عامل قدرة الإزاحة إلى الوحدة بواسطة بنك مكثف, عامل القوة الحقيقي لن يتجاوز 0.944. يجوز للمنشأة التي تحتوي على عدد كبير من محركات الأقراص تركيب مجموعات مكثفة بحسن نية لمعالجة عقوبة المنفعة, فقط لتجد أن العقوبة مستمرة لأن عداد المنفعة يقيس عامل الطاقة الحقيقي.

حيث يتم تثبيت المكثفات

يتم تركيب مكثفات تصحيح معامل القدرة على أحد المستويات الثلاثة. في مستوى المعدات الفردية, يتم توصيل المكثفات مباشرة في أطراف المحرك, توفير تصحيح دقيق ولكن مضاعفة عدد دوائر الرنين المحتملة. في مستوى المجموعة أو بسبار - الترتيب الصناعي الأكثر شيوعًا - يقوم بنك واحد ثابت أو مبدل تلقائيًا بتصحيح الطلب التفاعلي لمجموعة من الأحمال. في مستوى مدخل الخدمة الرئيسية, يقوم بنك كبير واحد بتصحيح المنشأة بأكملها عند نقطة التوريد - أبسطها من حيث التركيب ولكن مع تركيز مخاطر الرنين الكاملة في مكان واحد.

منهجية التقييم المكونة من ست خطوات

قبل تحديد أي معدات لتصحيح معامل القدرة في منشأة ذات أحمال غير خطية, وينبغي إجراء التقييم المنظم التالي.

خطوة 1 - تحديد حد عقوبة المرافق. تحديد الحد الأدنى المقبول لعامل الطاقة من تعريفة المرافق - عادةً 0.90 أو 0.95 اعتمادا على الاختصاص.

خطوة 2 - قياس معامل القدرة الحالي. يقيس \(P\) (كيلوواط) و \(Q\) (غادر) في عداد الفواتير خلال فترة تمثيلية - من الناحية المثالية أسبوع كامل يغطي جميع أوضاع التشغيل. لقطة واحدة غير كافية.

خطوة 3 - حساب قيمة المكثف المطلوب باستخدام \(س_ج = ص(\tan\phi_1 – \tan\phi_2)\). بالنسبة للبنوك التلقائية، أضف هامشًا بنسبة 10-15% لنمو التحميل.

خطوة 4 - تقييم الحاجة إلى دراسة توافقية. لا توجد عتبات مئوية موحدة عالميًا تتطلب إجراء دراسة توافقية. المشغلات التي يمكن الدفاع عنها من الناحية الفنية, متوافق مع اللجنة الانتخابية المستقلة 61642:2020 [4] ومعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات 519-2022 [1], هي: قياس \(THD_V\) يتجاوز 5%, قياس \(THD_I\) يتجاوز 15%, فشل مكثف غير مبرر أو عمليات الصمامات, أو الحمل غير الخطي الكبير والمتزايد. كدليل فحص عملي - وليس متطلبًا معياريًا - يعكس الجدول التالي تكرار الحوادث التاريخية في المنشآت الصناعية [10][13]:

خطوة 5 - فحص الرنين. يستخدم الفحص الأولي المبسط تصنيف المحول فقط:

\[h_r \approx \sqrt{\com.dfrac{شارع}{س_ج}}\]

يتطلب التقييم الدقيق قوة الدائرة القصيرة \(س_{الشوري}\) عند نقطة الاقتران المشترك:

\[h_r = \sqrt{\com.dfrac{س_{الشوري}}{س_ج}}\]

الطريقة المبسطة تبالغ في التقدير \(h_r\) وغير تحفظي - فهو مقبول للفحص الأول فقط. إذا \(h_r\) يقع ضمن 10% ذات ترتيب توافقي مميز (5ال, 7ال, 11ال, 13ال) يجب تعديل تصميم البنك. قسم 3 يطور هذا الحساب مع مثال عملي كامل.

بالنسبة للتركيبات الأكبر التي تتطلب دقة أكبر - خاصة عند الجهد المتوسط ​​أو حيث يتركز الحمل غير الخطي الكبير عند نقطة اتصال واحدة - يجب على مهندس التصميم أن يطلب رسميًا من المرفق ليس فقط مستوى الدائرة القصيرة ولكن أيضًا معاوقة الشبكة كدالة للتردد. طيف المعاوقة التوافقية هذا, يتم توفيرها أحيانًا كقيم R وX عند كل ترتيب توافقي, حسابات ظروف الرنين داخل شبكة المرافق نفسها التي لا يمكن لرقم MVA واحد لدائرة قصر الكشف عنها. IEC 61000-3-6 [5] يوفر إطارًا لهذا النوع من تقييم الانبعاثات والممانعة عند نقطة الاقتران المشترك.

خطوة 6 - التحقق من أساس قياس المنفعة. تأكد ما إذا كانت الأداة تعاقب على النزوح PF أو PF الحقيقي. إذا كان صحيحا PF و \(THD_I\) يتجاوز تقريبا 15%, بنك المكثف وحده لن يلغي العقوبة. يجب التحقق من ذلك مقابل كل من IEC 60831-1 [2] وIEEE الأمراض المنقولة جنسيا 18-2012 [3].

02 كيف تتفاعل التوافقيات مع المكثفات

إن مقاومة المكثف تتناسب عكسيا مع التردد:

\[Z_C = \frac{1}{j\omega C} = \frac{1}{j \cdot 2\pi f \cdot C}\]

عند التوافقي الخامس — 250 هرتز - مقاومة المكثف هي خمس قيمته الأساسية. عند التوافقي السابع ينخفض ​​إلى السابع. المكثفات تجتذب بنشاط التيارات التوافقية: في شبكة تدور فيها التيارات التوافقية, يمثل بنك المكثف أدنى مسار للممانعة عند الترددات التوافقية. التيار التوافقي الذي يتدفق إلى البنك هو:

\[أنا_{C,ح} = I_h \cdot \frac{ض _{نظام,ح}}{ض _{نظام,ح} + ض _{C,ح}}\]

كما \(ض _{C,ح}\) يتناقص مع زيادة الترتيب التوافقي, تزداد نسبة التيار التوافقي المتدفق إلى المكثف.

العواقب الحرارية

ينتج عن التيار التوافقي الإضافي المتدفق عبر المكثف خسائر لم يتم حسابها في المواصفات الأصلية. تخضع خسائر المكثف عند الترددات التوافقية لعامل التبديد \(\tan\delta\), الذي يزداد مع التردد. إجمالي الخسائر هي:

\[ف_{خسارة} = \sum_{ح = 1}^{ن} أنا_{C,ح}^2 \cdot \frac{\tan\delta_h}{\أوميغا_ح ج}\]

IEC 60831-1 [2] وIEEE الأمراض المنقولة جنسيا 18-2012 [3] كلاهما يحدد الحد الأقصى لتيار RMS المستمر 1.8 بو. من التيار المقنن عندما تكون التأثيرات مجتمعة لتوافقيات الجهد, التسامح السعة, وتؤخذ في الاعتبار جهد التشغيل. في التركيبات ذات التشوه التوافقي الكبير، يتم تجاوز هذا الحد بشكل متكرر دون أي إشارة من القياس التقليدي, الذي يقيس التيار الأساسي فقط.

الشيخوخة العازلة

آلية التعتيق السائدة في مكثفات غشاء البولي بروبيلين الممعدنة الحديثة هي آلية حرارية وليست كهربائية. العلاقة بين درجة حرارة التشغيل وعمر الخدمة تتبع نموذج أرينيوس [7]: كل ارتفاع بمقدار 10 درجات مئوية في درجة حرارة التشغيل المستمرة فوق القيمة المقدرة يؤدي إلى نصف عمر الخدمة المتوقع تقريبًا. تعمل التيارات التوافقية على رفع الخسائر الداخلية وبالتالي درجة حرارة التشغيل, تسريع الشيخوخة بمعدل لا يمكن التنبؤ به من خلال بيانات اللوحة وحدها.

وهذا ما يفسر الملاحظة الميدانية التي يتم الإبلاغ عنها بشكل متكرر ولكن نادرًا ما يتم فهمها: يبدأ بنك المكثف الذي يعمل دون مشاكل لسنوات بالفشل بعد تركيب محركات جديدة ذات تردد متغير, على الرغم من أن الطلب التفاعلي الأساسي لم يتغير ويبدو أن حجم البنك صحيح وفقًا للمعايير التقليدية. تم استيفاء تصنيف اللوحة عند المستوى الأساسي - لكن التيارات التوافقية رفعت درجة الحرارة الداخلية إلى ما هو أبعد من الغلاف الحراري المقدر.

يعتبر ضغط الجهد على العازل الكهربائي آلية شيخوخة ثانوية, أكثر صلة بالورق المشرب القديم أو المكثفات ذات الأغشية الورقية التي تفتقر إلى القدرة على الإصلاح الذاتي لتكنولوجيا الأفلام المعدنية. للمكثفات السينمائية المعدنية الحديثة, درجة الحرارة المرتفعة المستمرة هي العامل الأساسي الذي يحد من الحياة.

03 الرنين الموازي – المشكلة الأساسية

عندما يتم توصيل بنك مكثف بنظام التوزيع, إنها تشكل دائرة رنين متوازية مع المعاوقة الحثية للشبكة. تمتلك دائرة الرنين هذه ترددًا طبيعيًا تصبح عنده ممانعتها لا نهائية من الناحية النظرية - من الناحية العملية, عالية جدًا - حيث يمكن حتى للتيارات التوافقية الصغيرة أن تنتج جهودًا توافقية كبيرة وتيارات متداولة كبيرة بين المكثف والعناصر الحثية للشبكة.

تردد الرنين الموازي, يتم التعبير عنها بالترتيب التوافقي, هو:

\[h_r = \sqrt{\com.dfrac{س_{الشوري}}{س_ج}}\]

حيث \(س_{الشوري}\) هي طاقة الدائرة القصيرة عند نقطة توصيل المكثف بـ kVA و \(Q_C\) هو تصنيف بنك المكثف بـ kVAr. النموذج المبسط باستخدام تصنيف المحولات فقط \(S_T\) مقبول للفحص الأولي فقط - إنه مبالغة \(h_r\) وغير محافظة.

الرقم 1 - الممانعة مقابل التردد: مستكشف الرنين التفاعلي

ماذا يحدث عند الرنين

على الترتيب التوافقي الرنان \(h_r\), تصل المعاوقة الموازية إلى الحد الأقصى. إن الممانعة عند الرنين محدودة فقط بالتخميد المقاوم – مقاومة ملفات المحولات, الكابلات, وغيرها من العناصر المقاومة. في نظام التوزيع الصناعي النموذجي، يكون هذا التخميد صغيرًا, ويمكن أن تكون المعاوقة عند الرنين 20 إلى 50 مرات أعلى من مقاومة الرنين عند نفس التردد. عامل التضخيم تقريبًا:

\[A_h = \frac{X_{ال,ح} \كدوت X_{C,ح}}{R \cdot |X_{ال,ح} – X_{C,ح}|}\]

عند الرنين \(X_{ال,ح} = س_{C,ح}\) ويقترب المقام من الصفر، ويكون التضخيم محدودًا فقط بمقاومة الدائرة \(R\). في الممارسة العملية عوامل التضخيم 10 إلى 30 ليست غير عادية في الشبكات الصناعية ذات التخميد الخفيف [8][9].

المفارقة الواضحة للرنين الموازي

إن سلوك دائرة الرنين الموازية أمر غير بديهي ويستحق شرحًا دقيقًا. إن المهندس الميداني الذي ينظر إلى بنك مكثف متصل بقضيب توصيل إلى جانب محول قد يتوقع بشكل معقول أن يمتص المكثف التيارات التوافقية ببساطة - بعد كل شيء, تتناقص مقاومتها مع التردد, مما يجعلها بالوعة توافقية طبيعية. وهذا الاستدلال صحيح بعيداً عن الرنين. ما ليس واضحًا على الفور هو ما يحدث عندما يتم إثارة المجموعة المتوازية من محاثة المحولات وبنك المكثف عند تردد الرنين الطبيعي.

عند الرنين, تقدم دائرة LC المتوازية مقاومة عالية جدًا لمصدر التيار التوافقي - في هذه الحالة محرك الأقراص المتغير السرعة. محرك الأقراص, بمثابة مصدر الحالي, يضخ تيارًا توافقيًا صغيرًا نسبيًا في الحافلة. هذا التيار الصغير, لكن, يكفي لإثارة خزان LC في التذبذب. تبدأ الطاقة بالانتقال ذهابًا وإيابًا بين الحث والسعة عند تردد الرنين — حيث يقوم المحرِّض بشحن المكثف, يتم تفريغ المكثف من خلال المحث, وتتكرر الدورة. لا يحتاج محرك الأقراص إلى توفير هذه الطاقة المتداولة، بل يحتاج فقط إلى التغلب على فقد المقاومة في الدائرة للحفاظ على التذبذب.

من الخارج – من منظور المحرك – تبدو المجموعة المتوازية وكأنها ذات مقاومة عالية جدًا. يبدو أن تيارًا قليلًا جدًا يدخل إلى الحلقة. ولكن داخل الحلقة, بين المكثف ومحاثة المحولات, التيار المتداول هو \(Q_T\) مرات أكبر من التيار التوافقي الذي يضخه محرك الأقراص. لمحول صناعي نموذجي مع \(Q_T\) = 30 إلى 50, حقن محرك الأقراص 4% التيار المقنن مثل التوافقي السابع يمكن أن ينتج تيارًا متداولًا قدره 1.2 إلى 2.0 بو. داخل حلقة LC - كافية لتجاوز IEC 60831-1 الحد الحالي المستمر 1.8 بو. وتشغيل الصمامات مكثف. يتم تحميل المكثف بشكل زائد ليس لأن محرك الأقراص يفرض تيارًا كبيرًا عليه مباشرة, ولكن لأنها جزء من دائرة متذبذبة تتجاوز تياراتها الداخلية بشكل كبير أي شيء يمكن رؤيته من خارج الحلقة.

تأثير جذب الشبكة

إن حالة الرنين داخل المنشأة لا تؤدي فقط إلى تضخيم التوافقيات الناتجة عن الأحمال المحلية. تقدم دائرة الرنين مسارًا منخفض المعاوقة — عند تردد الرنين وبالقرب منه — والذي يمكن رؤيته من شبكة المرافق. سوف تتدفق التيارات التوافقية الناتجة عن العملاء الآخرين المتصلين بنفس وحدة تغذية التوزيع بشكل تفضيلي نحو هذه العقدة ذات المعاوقة المنخفضة. يصبح بنك المكثف الخاص بالمنشأة بمثابة حوض توافقي للشبكة الأوسع, امتصاص الطاقة التوافقية من مصادر لا علم لها بها ولا سيطرة عليها [9][10].

وهذا ما يفسر الحالات التي لا يمكن فيها حساب المشاكل التوافقية في المنشأة بشكل كامل من خلال المصادر التوافقية داخل تلك المنشأة - تتجاوز التيارات التوافقية المقاسة في بنك المكثف ما يمكن أن تولده الأحمال غير الخطية الخاصة بالمنشأة بشكل معقول.

مثال عملي

النظر في منشأة مع: 1000 محول كيلو فولت أمبير, 6% مقاومة; 150 MVA دائرة قصر في المرافق 11 كيلو فولت; 200 بنك مكثف kVAr; إجمالي ستة 6 نبضات VFD 300 كيلوواط.

مساهمة محول ماس كهربائى:

\[س_{الشوري,T} = \frac{شارع}{Z_T\%} = \frac{1000}{0.06} = 16{,}667 \نص{ كيلو فولت أمبير}\]

مع 150 حافلة المرافق MVA (شبكة قوية), تهيمن مقاومة المحولات: \(س_{الشوري} \تقريبا 16{,}667\) كيلو فولت أمبير. أوامر الرنانة:

\[200 \نص{ غادر}: h_r = \sqrt{\com.dfrac{16{,}667}{200}} = 9.1 \quad \text{(آمن - بين h7 وh11)}\]

\[400 \نص{ غادر}: h_r = \sqrt{\com.dfrac{16{,}667}{400}} = 6.5 \quad \text{(الحذر - بالقرب من h7)}\]

\[500 \نص{ غادر}: h_r = \sqrt{\com.dfrac{16{,}667}{500}} = 5.8 \quad \text{(خطر - داخل 16\% من ح5)}\]

نظام آمن في 200 يصبح kVAr خطيرًا عند 500 kVAr - يتغير الرنين مع حجم البنك.

لشبكة مرافق أضعف (20 ضريبة القيمة المضافة في 11 كيلو فولت), \(س_{الشوري,مجموع} \تقريبا 9{,}091\) كيلو فولت أمبير:

\[200 \نص{ غادر}: h_r = \sqrt{\com.dfrac{9{,}091}{200}} = 6.7 \quad \text{(الآن قريب من h7)}\]

\[400 \نص{ غادر}: h_r = \sqrt{\com.dfrac{9{,}091}{400}} = 4.8 \quad \text{(تحت h5 - منطقة الخطر الكاملة)}\]

04 أوضاع الفشل والأعراض الميدانية

يتجلى التفاعل بين مكثفات تصحيح معامل القدرة والتيارات التوافقية في أعراض ميدانية يتم تشخيصها بشكل خاطئ في كثير من الأحيان لأن السبب الجذري لها - الرنين التوافقي أو التحميل الزائد التوافقي - غير مرئي للأجهزة التقليدية.

عمليات الصمامات مكثف

أكثر الأعراض المرئية شيوعًا للتحميل الزائد التوافقي هو التشغيل المتكرر لعناصر فتيل المكثف. عمليات الصمامات التي تتكرر بعد الاستبدال, تحدث دون خطأ تحميل يمكن تحديده, أو يحدث بشكل تفضيلي في أوقات معينة من اليوم يعد مؤشرًا قويًا على التيار الزائد التوافقي. تؤدي العملية التوافقية إلى ترك وحدة المكثف سليمة ماديًا وتتكرر بعد الاستبدال لأن الحالة التوافقية التي تسببت فيها لم تتم معالجتها. يجب أن تأخذ تقييمات المصهرات في الاعتبار إجمالي تيار RMS بما في ذلك المكونات التوافقية لكل IEC 60831-1 [2] وIEEE الأمراض المنقولة جنسيا 18-2012 [3].

انتفاخ حالة المكثف وتمزقها

يشير التشوه المادي لحالات المكثف إلى تراكم الضغط الداخلي الناتج عن التسخين الداخلي المفرط. في البيئة التوافقية، يرتبط وضع الفشل هذا بالحمل الحراري الزائد المستمر. يعد تمزق الحالة حدثًا خطيرًا يتعلق بالسلامة - يجب إخراج البنك الذي يعاني من تشوهات متكررة في الحالة من الخدمة فورًا ريثما يتم إجراء تقييم توافقي.

إزعاج التعثر في حماية التيار الزائد

قد تتعطل مرحلات التيار الزائد وقواطع الدائرة بشكل متكرر دون حدوث خطأ واضح في الحمل. تولد حالة الرنين المتوازي تيارات متداولة كبيرة بين بنك المكثف والمحول والتي تتدفق عبر معدات الحماية حتى عندما يكون تيار الحمل طبيعيًا. يتطلب التمييز بين الرحلات المرتبطة بالرنين والرحلات المرتبطة بالتبديل قياس جودة الطاقة في وقت الحدث. ينتج الرنين تيارًا مرتفعًا مستدامًا عند تردد توافقي محدد; يؤدي تبديل العابرين إلى إنتاج تذبذب عالي التردد قصير الأمد في لحظة التبديل [9][10].

ارتفاع درجة حرارة المحولات

يعد ارتفاع درجة حرارة المحولات غير المبررة في غياب الحمل الزائد الواضح أحد الأعراض الكلاسيكية للتيارات الدائرية التوافقية. يدفع الرنين تيارات توافقية كبيرة عبر الملفات الثانوية للمحول في حلقة مغلقة مع مجموعة المكثف, إنتاج خسائر إضافية من النحاس وخسائر أساسية مرتفعة عند الترددات التوافقية. يتم قياس التحميل التوافقي للمحول بواسطة العامل K - المحول الذي تم تجاوز تصنيف العامل K سوف يعمل عند درجة حرارة مرتفعة حتى عندما يكون تيار الحمل الأساسي ضمن الحدود المقدرة.

التحميل الزائد للموصل المحايد

في التركيبات ذات الأربعة أسلاك مع مزيج من الأحمال غير الخطية ثلاثية الطور وأحادية الطور, التوافقيات الثلاثية (3طريق, 9ال, 15ال) هي تسلسل صفري بطبيعتها وتضاف حسابيًا في الموصل المحايد بدلاً من الإلغاء. يمكن أن يتسبب هذا في ارتفاع درجة حرارة الموصل المحايد غالبًا ما يُعزى بشكل خاطئ إلى عدم توازن الحمل بدلاً من التوافقيات. يؤدي وجود محتوى توافقي ثلاثي كبير إلى تغيير الطيف التوافقي الذي يراه بنك المكثف وقد يتطلب عامل تفكيك قدره p = 14% بدلاً من المعيار p = 7% [4].

تشويه الجهد التوافقي وتداخل المعدات

يعد التشوه التوافقي للجهد المرتفع عند القضيب الذي يزود بنك المكثف مؤشرًا مباشرًا لتضخيم الرنين. السمة المميزة للرنين المرتبط بالمكثف هي طيف الجهد التوافقي ذو الذروة الواضحة عند ترتيب توافقي محدد - وهو كبير بشكل غير متناسب بالنسبة إلى التيار التوافقي الذي يتم حقنه بواسطة الأحمال غير الخطية. يمكن أن يؤدي هذا التشوه أيضًا إلى حدوث خلل في المعدات الإلكترونية الحساسة - PLCs, لوحات التحكم في القيادة, القياس, وأنظمة الاتصالات.

نهج القياس للتشخيص

عند ملاحظة أي من الأعراض المذكورة أعلاه, يجب أن يتبع تسلسل التشخيص منهجية القياس الخاصة بـ IEC 61000-4-30 الفئة أ [6]: القياس المتزامن لتوافقيات الجهد والتيار عند نقطة توصيل بنك المكثف وعند شريط التوصيل الثانوي للمحول, خلال فترة لا تقل عن 24 ساعات تغطي جميع أوضاع التشغيل, التقاط المكونات التوافقية الفردية إلى الترتيب الخمسين على الأقل باستخدام معلومات زاوية الطور.

05 بنوك المكثفات المفككة

يمنع بنك المكثف المفكك الرنين عن طريق توصيل مفاعل متسلسل بكل وحدة مكثف, تحويل تردد الرنين لمجموعة المفاعل والمكثف إلى نقطة أقل من أدنى مدروج مميز مثير للقلق. مفاعل تسلسلي متصل على التوالي بمكثف يشكل دائرة رنين تسلسلية. تحت تردد الرنين المتسلسل هذا، تتصرف المجموعة بطريقة سعوية. وفوقه يتصرف المزيج بشكل استقرائي, تقديم مقاومة متزايدة للتيارات التوافقية.

يتم التعبير عن تردد الرنين المتسلسل كعامل ضبط \(p\):

\[p = \left(\فارك{f_r}{f_1}\حق)^2 = \frac{X_L}{X_C} \مرات 100\% \qquad h_r = \dfrac{1}{\com.sqrt{ف}}\]

عوامل الضبط القياسية

IEC 61642:2020 [4] يتعرف على العديد من عوامل الضبط القياسية:

عامل الضبط الأكثر استخدامًا في الممارسة الصناعية الأوروبية هو ع = 7%, وضع تردد الرنين على التوالي 189 هرتز — بأمان تحت التوافقي الخامس عند 250 هرتز بهامش كافٍ لتفاوتات المكونات [4].

التأثير على انتاج الطاقة التفاعلية

يقلل المفاعل المتسلسل من صافي خرج الطاقة التفاعلية ويرفع الجهد عبر المكثف:

\[س_{شبكة} = Q_C \times (1 – ف) \ككوادر V_C = V_{إمداد} \times \frac{1}{1-ف}\]

ل 200 مكثف كيلو فولت أمبير مع p = 7%: \(س_{شبكة} = 186\) غادر, \(V_C = 430\) في. عادةً ما يتم تصنيع الوحدات المفككة القياسية بمعدلات جهد مرتفعة 440 V أو 480 V للاستخدام على 400 شبكات V [2][4].

تبديل ميزة عابرة

عندما يتم تنشيط خطوة detuned, يحد المفاعل المتسلسل من تيار التدفق - مما يقلل بشكل كبير من التحولات العابرة مقارنة بالضفة غير المضبوطة. يجب على وحدات التحكم في معامل القدرة الأوتوماتيكية تبديل وحدات مكثفات المفاعل الكاملة. يؤدي تبديل مكثف بدون المفاعل المرتبط به إلى إنشاء مكثف غير محمي مباشرة على الشبكة [4][13].

ما يفعله التفجير وما لا يحققه

تعتمد تقييمات المكونات على دقة قيم المفاعل والمكثف. التسامح السعة تحت IEC 60831-1 [2] هو ± 5% للوحدات الفردية. التسامح الحث تحت IEC 60076-6 [15] عادة ±3%. هذا هو السبب في عامل ضبط 3.8% لا يوصى بذلك - يمكن لتفاوتات التصنيع أن تغير تردد الرنين الفعلي إلى الأعلى 250 هرتز, مباشرة عند التوافقي الخامس.

06 المرشحات التوافقية السلبية

يتكون المرشح التوافقي المنفعل من مفاعل متصل على التوالي ومكثف تم ضبطه لتقديم الحد الأدنى من الممانعة - الرنين المتسلسل - عند التردد التوافقي المستهدف. يتم توصيله بالتوازي مع الحمل بحيث تتدفق التيارات التوافقية بشكل تفضيلي من خلال مسار مرشح المعاوقة المنخفضة بدلاً من العودة إلى شبكة الإمداد.

تردد الرنين التسلسلي هو:

\[ح _{ضبطها} = \dfrac{1}{2\pi f_1 \sqrt{LC}}\]

من الناحية العملية، يتم ضبط المرشح بشكل متعمد أسفل الترتيب التوافقي المستهدف - عادةً عند 4.7 بدلا من 5.0 للمرشح التوافقي الخامس. يمنع هامش التفجير هذا تزامن الرنين الموازي الجديد مع التوافقي المستهدف: مرشح تم ضبطه على 4.7 يقدم مقاومة سعوية عند h = 5.0, والتي مجتمعة مع محاثة الشبكة تخلق رنينًا متوازيًا أقل من ح = 5.0 بدلا من ذلك, إبعاد الرنين الخطير عن التوافقي المميز [14]. هامش الضبط هو:

\[و_{ضبطها} \تقريبا 0.94 \مرات ح_{هدف} \times f_1\]

عامل الجودة وقوة رد الفعل

تعتمد فعالية المرشح على عامل الجودة Q:

\[Q = \frac{X_L}{R} = \frac{\أوميغا_{ضبطها} ال}{R}\]

عامل Q الأعلى يعني مقاومة أقل للمرشح وتوهين توافقي أفضل, ولكن خاصية ضبط أكثر وضوحًا - أكثر حساسية لتفاوتات المكونات والشيخوخة. تتراوح عوامل Q العملية من حوالي 30 إلى 100 [9][14]. مساهمة الطاقة التفاعلية الأساسية للمرشح هي:

\[س_{فلتر} = \frac{V^2 \cdot \omega_1 C}{1 – \اليسار(\فارك{f_1}{و_{ضبطها}}\حق)^2} \تقريبا 1.047 \times V^2 \cdot \omega_1 C\]

أنواع التصفية

A مرشح ضبط واحد - فرع مكثف مفاعل واحد مضبوط على تردد توافقي واحد - هو التكوين الأبسط والأكثر شيوعًا. يتطلب التثبيت الكامل لنظام محرك سداسي النبضات فرعين على الأقل: واحد بالقرب من التوافقي الخامس والآخر بالقرب من السابع. يجب أن يتم تصميم كل فرع بطريقة تراعي التفاعل بين الفروع - يؤثر المرشح التوافقي الخامس على الممانعة التي يراها التوافقي السابع والعكس صحيح. مطلوب نهج التصميم المشترك باستخدام برامج محاكاة الشبكة [9][10][14].

A مرشح مزدوج الضبط يوفر التوهين عند ترددين توافقيين باستخدام دائرة واحدة مكونة من أربعة عناصر. أكثر شيوعًا عند الجهد المتوسط ​​والعالي حيث تكون تكلفة أجهزة التبديل المتعددة كبيرة.

A مرشح من النوع C يقلل من خسائر التردد الأساسية عن طريق وضع مكثف على التوالي مع المفاعل بحيث يتردد صدى مجموعة مكثف سلسلة المفاعل عند التردد الأساسي, تجاوز المفاعل بشكل فعال في 50 هرتز مع الاحتفاظ بممانعته عند الترددات التوافقية. يوجد أكثر شيوعًا في أنظمة تعويض أفران القوس الكبيرة ومحطات تحويل HVDC [9][14].

الرقم 4 - أربع تقنيات: مقارنة استجابة التردد

حدود المرشحات التوافقية السلبية

تعتبر المرشحات السلبية فعالة واقتصادية للبيئات التوافقية المستقرة التي تهيمن عليها التوافقيات المميزة لأحمال مقوم 6 نبضات. القيود الرئيسية الخاصة بهم هي: الأداء يعتمد على الحمل; يتغير الأداء مع مقاومة الشبكة; يمكنهم إنشاء ظروف رنين جديدة عند ترددات أقل بقليل من كل نقطة ضبط; أنها لا توفر أي توهين للتوافقيات غير المميزة أو التوافقيات البينية; ولا يمكنهم تحسين تصحيح القدرة التفاعلية والترشيح التوافقي بشكل مستقل. تشرح هذه القيود لماذا يوفر الجمع بين التصفية السلبية والفعالة مزايا أداء لا تحققها أي تقنية بمفردها [11][12].

07 فلاتر متناسق النشطة

يقوم المرشح التوافقي النشط بقياس المحتوى التوافقي لتيار الحمل في الوقت الفعلي ويضخ تيارات توافقية متساوية ومعاكسة في الشبكة, إلغاء التوافقيات عند نقطة الاتصال عن طريق التراكب. يعمل كمصدر تيار متحكم فيه:

\[أنا_{إمداد} = أنا_{حمولة} + أنا_{مؤسسة الحرمين}\]

يقيس المحول الحالي أو ملف Rogowski إجمالي تيار الحمل. يحدد معالج الإشارات الرقمية حجم وزاوية الطور لكل مكون توافقي. يقوم عاكس مصدر الجهد المضمن بعرض النبضة - المبني حول IGBTs - بحقن التيار المعوض [11][12]:

\[أنا_{مؤسسة الحرمين} = -\sum_{ح = 2}^{ن} أنا_{ح}\]

تقوم المرشحات التوافقية النشطة الحديثة بتعويض التوافقيات إلى الترتيب الخمسين مع THD المتبقي أدناه 5% عند الحمل المقنن.

الرقم 6 - مبدأ تشغيل الفلتر النشط: إلغاء الموجي

تعويض الطاقة التفاعلية المتزامنة

تقوم معظم تصميمات المرشحات التوافقية النشطة الحديثة أيضًا بحقن مكون تيار تفاعلي ترددي أساسي, يعمل كمعوض VAR ثابت. في التركيبات التي تتطلب تصحيحًا كبيرًا للطاقة التفاعلية وتخفيفًا توافقيًا كبيرًا, قد يتجاوز الطلب المشترك قدرة وحدة مرشح نشطة واحدة - وفي هذه الحالة يصبح الحل الأمثل هو الجمع بين مرشح سلبي للطاقة التفاعلية الكبيرة والتوهين التوافقي مع مرشح نشط للتصحيح المتبقي, تم تطويره في المقالة اللاحقة في هذه السلسلة [11][12][13].

المزايا على المرشحات السلبية

يتكيف المرشح التوافقي النشط تلقائيًا مع التغيرات في الطيف التوافقي, لا يخلق أي خطر الرنين, يعوض التوافقيات غير المميزة والتناغمات البينية في وقت واحد, يوفر التحكم الدقيق في مستوى التعويض, وهو مستقل إلى حد كبير عن تغييرات مقاومة الشبكة [11][12].

القيود

يتم تصنيف المرشحات التوافقية النشطة بأمبير التيار التوافقي, ليس كيلو فولت أمبير — في منشأة ذات تيارات توافقية مطلقة كبيرة، يمكن أن يكون التصنيف المطلوب والتكلفة الرأسمالية كبيرًا. يتدهور الأداء عند اقتراب الأوامر التوافقية من حد النطاق الترددي للتحكم (فعالة عادة حتى التوافقي الخمسين عند 50 هرتز). إنها تتطلب جهدًا ثابتًا للشبكة - معظم الوحدات الحديثة تتحمل THD_في ما يصل إلى 10-15% عند نقطة الاتصال [11][12]. أنها تقدم تبديل المكونات التوافقية التردد في الشبكة, يتم تخفيفه عادةً بواسطة مرشح LCL للإخراج.

التنسيب بالنسبة للعناصر السلبية

في المنشآت التي توجد بها المرشحات السلبية والنشطة, يجب أن يكون المرشح النشط متصلاً بنفس شريط التوصيل مثل المرشح السلبي, على الجانب المصدر لفروع المرشح السلبي. يسمح هذا للمرشح النشط بإلغاء التيارات التوافقية المتبقية التي لا يمتصها المرشح السلبي بالكامل, وللتخلص من خطر الرنين المتوازي بين فروع المرشح المنفعل ومقاومة الشبكة [11][12][13].

08 دليل الاختيار — اختيار الحل المناسب

معايير الاختيار الأولية

تعتمد عملية الاختيار على خمسة أسئلة: (1) ما هو الهدف — تصحيح PF, التخفيف التوافقي, أو كليهما? (2) ما هي البيئة التوافقية - قياس THD_في و ثد_أنا مع الطيف التوافقي الفردي لكل IEC 61000-4-30 الفئة أ [6]? (3) هل الحمل التوافقي ثابت أم متغير؟? (4) ما هي متطلبات المرافق - المعيار المطبق, تعريف بي سي سي, وأساس القياس [1][5]? (5) ما هو مستوى الدائرة القصيرة عند نقطة الاتصال - المطلوب لحساب الرنين والتقييم الرسمي [4][5]?

الرقم 7 - مخطط انسيابي لقرار الاختيار

ملخص مقارنة التكنولوجيا

مثال عملي

مصنع لتجهيز الأغذية: 1600 محول كيلو فولت أمبير, 6% مقاومة; 200 فائدة MVA في 11 كيلو فولت; 400 kVAr بنك مكثف غير مضبوط; إجمالي اثني عشر VFDs ذات 6 نبضات 500 كيلوواط (تقريبًا 40% من إجمالي كيلو فولت أمبير); قياس THD_أنا = 32%, THD_في = 7.8%; IEEE 519-2022 الامتثال المطلوب; أعراض: عمليات الصمامات مكثف المتكررة, محول يعمل بدرجة حرارة 15 درجة مئوية فوق المعدل الطبيعي.

فحص الرنين: \(س_{الشوري} \تقريبا 1600/0.06 = 26{,}667\) كيلو فولت أمبير; \(h_r = \sqrt{26{,}667\,/\,400} = 8.2\) - ليس بترتيب مميز, ولكن ثد_في من 7.8% وارتفاع درجة حرارة المحولات يتوافقان مع تضخيم الرنين القريب. يجب استبدال البنك الحالي غير المضبوط أو فصله.

تطبيق مخطط انسيابي القرار: نسبة الحمل غير الخطية 40% → البنك المفكك إلزامي; IEEE 519 الامتثال المطلوب; تحميل متغير الملف الشخصي (VFDs بسرعات متفاوتة) → يفضل المرشح النشط.

توصية: الخيار د - البنك المفكك (ع = 7%) لتصحيح القدرة التفاعلية مع مرشح توافقي نشط للتخفيف التوافقي. إن ملف تعريف التحميل المتغير ومتطلبات امتثال الأداة المساعدة يجعلان المرشح النشط هو التقنية المفضلة; يتعامل البنك المفكك مع التصحيح التفاعلي اقتصاديًا وآمنًا دون مخاطر توافقية.

الاعتبارات الاقتصادية

تختلف التكلفة الرأسمالية للتخفيف التوافقي بشكل كبير. تتميز المرشحات السلبية بتكلفة رأسمالية أقل ولكنها قد تتطلب إعادة ضبط دورية مع تقدم عمر المكونات. تتميز المرشحات النشطة بتكلفة رأسمالية أعلى ولكنها تتكيف تلقائيًا مع تحميل التغييرات. يؤدي التوفر المتزايد لمراقبة جودة الطاقة في الوقت الفعلي - سواء كخدمات مقدمة من المرافق أو من موفري المراقبة المستقلين - إلى تغيير اقتصاديات التحقق المستمر من الامتثال, مما يجعل من الممكن بشكل متزايد التحقق من أن الحل المثبت يستمر في الأداء كما هو مصمم مع تطور ملف تعريف التحميل [10][13]. في العديد من المنشآت الصناعية، تتجاوز تكلفة استبدال محول واحد أو انقطاع الإنتاج الناجم عن الفشل التوافقي التكلفة الرأسمالية للمرشح التوافقي النشط المحدد بشكل صحيح.

اختتام

لا تعد مكثفات تصحيح معامل القدرة والتشوه التوافقي موضوعات مستقلة يمكن معالجتها بشكل تسلسلي - فهي مقترنة بعمق, والقرارات المتخذة بشأن أحدهما تحدد بشكل مباشر عواقب الآخر. في أي تركيب كهربائي حيث تمثل الأحمال غير الخطية نسبة كبيرة من إجمالي الطلب, لا يمكن تحديد تصحيح معامل القدرة بشكل مستقل عن التخفيف التوافقي.

التقدم من البنوك مكثف القياسية من خلال البنوك detuned, المرشحات السلبية, وتمثل المرشحات النشطة قدرة متزايدة بتكلفة وتعقيد متزايدين. النقطة الصحيحة في هذا التقدم تعتمد على البيئة التوافقية, تقلب الحمل, متطلبات المرافق, والسياق الاقتصادي - وليس على قاعدة ثابتة تعتمد على تقييمات قوة المحرك أو التفضيلات التكنولوجية التعسفية.

يعد بنك المكثف المفصول بمثابة إجراء وقائي, وليس إجراء تخفيفيا. تعتبر المرشحات التوافقية السلبية فعالة واقتصادية للبيئات التوافقية المستقرة التي تهيمن عليها التوافقيات المميزة لأحمال مقوم 6 نبضات. تعمل المرشحات التوافقية النشطة على التخلص من مخاطر الرنين والتكيف مع الأطياف التوافقية المتغيرة. يمثل الجمع بين بنك مكثف مفكك لتصحيح الطاقة التفاعلية ومرشح توافقي نشط للتخفيف التوافقي الحل الأمثل للعديد من المنشآت الصناعية الحديثة - تم تطويره بالتفصيل في المقالة التالية في هذه السلسلة.

لا يمكن المبالغة في تقدير دور القياس. البيئة التوافقية للمنشأة الصناعية ليست ثابتة. المراقبة الدورية لجودة الطاقة, متوافق مع اللجنة الانتخابية المستقلة 61000-4-30 [6], هي الطريقة الوحيدة الموثوقة لضمان استمرار حل التخفيف المثبت في الأداء كما هو مصمم طوال فترة التثبيت.

المراجع

1. IEEE الأمراض المنقولة جنسيا 519-2022, معيار IEEE للتحكم التوافقي في أنظمة الطاقة الكهربائية, IEEE, 2022.
2. IEC 60831-1:2014, مكثفات طاقة التحويل من النوع ذاتي الإصلاح للتيار المتردد. الأنظمة التي لها جهد مقدر يصل إلى بما في ذلك 1 000 الخامس – الجزء 1: عام, IEC, 2014.
3. IEEE الأمراض المنقولة جنسيا 18-2012, IEEE القياسية لالتحويلة المكثفات الطاقة, IEEE, 2012.
4. IEC 61642:2020, الشبكات الصناعية – دليل استخدام المكثفات والمرشحات التوافقية, IEC, 2020.
5. IEC 61000-3-6:2008, التوافق الكهرومغناطيسي - الحدود - تقييم حدود الانبعاثات لتوصيل المنشآت المشوهة بالجهد المتوسط, أنظمة الجهد العالي والطاقة ذات الجهد العالي, IEC, 2008.
6. IEC 61000-4-30:2015, التوافق الكهرومغناطيسي – تقنيات الاختبار والقياس – طرق قياس جودة الطاقة, IEC, 2015.
7. IEC 60216 سلسلة, المواد العازلة للكهرباء – خواص التحمل الحراري, IEC.
8. جرجس, أ.أ., فالون, سم., القصة, آر سي., روبينو, سي.بي., “التوافقيات والجهد الزائد العابر بسبب تبديل المكثف,” المعاملات IEEE على تطبيقات الصناعة, طيران. 28, لا. 1, ص. 196-204, 1992.
9. Arrillaga, J., واتسون, ن.ر., التوافقيات نظام السلطة, 2الطبعة الثانية., جون وايلي & أبناء, 2003.
10. دوجان, آر سي., McGranaghan, م.ف., سانتوسو, S., بيتي, الأب., جودة أنظمة القوى الكهربائية, 3الطبعة الثالثة., ماكجرو هيل, 2012.
11. سينغ, ب., الحداد, ك., تشاندرا, A., “مراجعة المرشحات النشطة لتحسين جودة الطاقة,” معاملات IEEE على الإلكترونيات الصناعية, طيران. 46, لا. 5, ص. 960-971, 1999.
12. أكاجي, H., “المرشحات التوافقي النشطة,” وقائع IEEE, طيران. 93, لا. 12, ص. 2128-2141, 2005.
13. ورقة التطبيق الفني لشركة ABB رقم. 8, تصحيح معامل القدرة والترشيح التوافقي في المحطات الكهربائية, ايه بي بي سايس, 2008.
14. IEEE الأمراض المنقولة جنسيا 1531-2003, دليل IEEE لتطبيق ومواصفات المرشحات التوافقية, IEEE, 2003.
15. IEC 60076-6:2007, محولات القدرة – الجزء 6: المفاعلات, IEC, 2007.
16. IEC 61000-3-4:1998, التوافق الكهرومغناطيسي - الحدود - الحد من انبعاث التيارات التوافقية في أنظمة إمداد الطاقة ذات الجهد المنخفض للمعدات ذات التيار المقدر أكبر من 16 A, IEC, 1998.