アクティブ高調波フィルタのサイジング方法：THDi、負荷電流、および容量

概要。アクティブ高調波フィルタのサイズを正しく決定する方法を学ぶことは、プロジェクトがTHDiターゲットを達成できるか、それとも6か月後に2台目のユニットが必要になるかを決定します。サイジングはkVAの演習ではありません。測定された高調波スペクトルから始まり、個々の高調波電流を必要な補償電流に変換し、次に負荷の成長、周囲温度、および無効電力負荷のためのヘッドルームを追加します。このガイドでは、購入注文を発行する前にエンジニアが実行すべき計算について説明します。THDiとTDDを正しく読み取る、高調波電流を算術的にではなくRMSで合計する、スペクトルをAHF電流定格に変換する、および400V配電盤の作業例に対して結果を確認します。また、性能の低い設置のほとんどを占める4つのサイジングミスと、ユニットが仕様どおりに機能していることを証明するコミッショニングチェックについても説明します。

アクティブ高調波フィルタのサイジングには実際には何が含まれますか？

サイジングとは、アクティブ高調波フィルタが共通接続点での歪みを定義された制限内に保持するために注入する必要のある補償電流を決定するプロセスです。これには3つの入力が必要です。コンプライアンスポイントでの負荷電流、その負荷の高調波スペクトル、および満たそうとする制限です。出力は、フィルタ電流定格、取り付け形式、および制御構成の順です。

最初の技術的な区別は、THDiとTDDの間です。THDiは、測定時の高調波RMS電流と基本RMS電流の比率であるため、軽負荷で基本電流が低下すると急激に上昇します。TDDは、高調波電流を最大需要電流と比較します。これは、ほとんどのグリッドコードが制限する量です。負荷30％でTHDi 45％を示すボードは、TDDベースでは完全に準拠している可能性があり、軽負荷THDi値をキャンセルするためにフィルタをサイジングすることは、一般的で高価な過剰反応です。

2番目の区別はRMS合計です。異なる次数の高調波電流は、算術的にではなく、二乗和の平方根として加算されます。5次高調波電流30A、7次高調波電流18A、11次高調波電流9Aの負荷は、合計高調波電流約36A（57Aではない）を運びます。これを誤って次数を直接加算すると、フィルタが50％以上膨張し、これはスペクトルなしで合計THD値をコピーするコンサルタント仕様で最も頻繁に見られるエラーの1つです。

3番目に、サイジングはAHFが歪み率ではなく電流を補償することを認識する必要があります。負荷が同じスペクトルパーセンテージで200Aから300Aに増加した場合、高調波電流は比例して増加し、元の条件でサイジングされたフィルタは、負荷の種類に何も変更がなくても、過小評価されます。そのため、推奨される方法は、今日の平均読み取り値ではなく、最大需要に成長許容範囲を追加してサイジングすることです。

正しいサイジングがプロジェクトの成果を決定する理由

1.過小サイジングは受け入れテストに失敗します。定格電流の100％で動作するフィルタには、コンプライアンス評価を支配するピーク用のリザーブがありません。測定されたTHDiが仕様の5％ではなく8％になった場合、設置業者は2台目のユニットのコストを負担し、コンサルタントはサプライヤーへの信頼を失います。20〜30％のヘッドルームは、合格レポートと交渉の違いです。

2.過剰サイジングは資本とスイッチギアスペースを無駄にします。必要以上に2フレームサイズ大きいユニットは、コストが高く、補助電力が多く、キャビネットスペースを占有し、弱いネットワークでは供給インピーダンスとの相互作用がより積極的になる可能性があります。過剰サイジングの見積もりと正しくサイジングされた見積もりを比較するバイヤーは、通常、より安価なユニットを選択するため、過剰サイジングは注文と利益の両方を失います。

3.4線式負荷では、ニュートラルを明示的にサイジングする必要があります。3次高調波は、4線式システムのニュートラルに加算されます。単相整流器を供給する商用ボードは、位相電流を超えるニュートラル電流を運ぶ可能性があり、3線式フィルタはそれを処理できません。設計段階で「30A 4線式AHFモジュール」を選択すると、元のデバイスよりもコストのかかる後付けを回避できます。4.既存の補償との反応を確認する必要があります。すでにコンデンサバンクまたはデチューンリアクトルを実行しているプラントは、コンデンササイズと変圧器インピーダンスによって決定される共振周波数を持っています。AHFがその共振を確認せずにサイジングされた場合、フィルタは除去しようとしていた帯域を増幅する可能性があります。したがって、サイジングには、電流計算だけでなく、短い共振チェックが含まれます。

5.将来の負荷変更が回答を変更します。EV充電器、追加のドライブ、または新しい冷却プラントは、1年以内に高調波電流を倍増させる可能性があります。モジュラーフレームは、負荷に合わせて容量を追跡できます。まず「50Aラックマウントモジュール」から始め、負荷が到着したら2台目のユニットを並列接続します。デバイス全体を交換するのではなく。

6.周囲温度と短絡レベルが実効サイズを変更します。定格50A（40℃）のモジュールは、50℃では42Aしか供給できない場合があり、短絡レベルが低いネットワークでは制御ゲインが低下し、達成可能な補償が減少します。どちらの効果も、コミッショニング中に予期せぬ事態としてではなく、サイジングシートに derating 要素として含める必要があります。AHF容量の段階的な計算方法ステップ1 —コンプライアンスポイントと制限を定義します。

ターゲットがTHDi、TDD、またはユーティリティ固有の排出制限であるかどうか、およびそれが変圧器二次、ボード、または共通接続点のいずれに適用されるかを確認します。測定ポイントは、補償されていない下流の負荷がローカル読み取り値に引き続き表示されるため、回答を大幅に変更します。ステップ2 —代表的な負荷の下でスペクトルをキャプチャします。

クラスAアナライザーを使用した1週間の調査では、個々の高調波次数、ニュートラル電流、位相バランス、および負荷プロファイルを記録する必要があります。平均ではなく最大需要間隔でサイジングし、支配的な次数が特性（5次、7次、11次、13次）であるか、または3次および偶数次数を含むかどうかをメモします。

ステップ3 —必要な補償電流を計算します。キャンセルしたい高調波電流を取得し、RMSで合計し、次に周囲温度 derating と制御ヘッドルームのマージンを適用します。

注文測定電流（A）

二乗注

調査に使用したのと同じ負荷条件で、THDi、TDD、力率、およびニュートラル電流を再測定します。THDiがターゲットを下回った場合は、CTの配置、ヘッドルーム、およびコンプライアンスポイントが補償されていない負荷の下流にあるかどうかを確認してから、ユニットが過小評価されていると結論付けます。

作業例。400Vボードは、28％THDiで180Aの6パルスドライブ負荷を供給します。高調波電流は約50A（測定スペクトル全体でRMS合計）であり、80Aの測定ピークは設計値を約65Aに押し上げます。「75A床置きキャビネット」は、マージン付きで要件をカバーし、100Aデータホール負荷に対して実行された同じ計算は、代わりに100Aラックマウントユニットを示します。75A床置きAHFキャビネット — 正しくサイジングされた400V産業用計算の典型的な結果。すべてのサイジングシートには、2つの最終チェックが含まれます。設置場所の周囲温度（ほとんどのモジュールは40℃を超えると derate し、夏場の密閉されたプラントルームはしばしば45℃になります）、および利用可能な短絡レベルです。非常に弱いネットワークでは、実効補償電流を減らすゲイン制限が必要になるためです。最終的なスケジュールを確定する前に、完全な「アクティブ高調波フィルタ範囲」でフレームサイズと取り付けオプションを比較できます。

サイジングドキュメントに含まれるべきもの。有用なサイジングシートは短く、監査可能である必要があります。コンプライアンスポイントとターゲット、日付と負荷条件を含む測定スペクトル、RMS合計計算、設計係数とその正当化、 derating カーブを含む選択されたフレーム、および予想される設置後のTHDiです。コンサルタントは、すべての数値が測定値に遡ることができるため、このドキュメントを受け入れます。それがないと、2つのサプライヤーが同じボードに対して異なるフレームサイズを引用し、バイヤーはどちらが正しいかを判断する方法がありません。

ピーク対連続負荷。抵抗溶接やプレスラインなどの一部の負荷は、平均よりもはるかに高い bursts で高調波電流を引き込みます。連続平均でサイジングすると、 bursts に対して仕様が不足し、瞬間ピークでサイジングすると、1日全体に対して仕様が過剰になります。実用的な妥協案は、最大生産率で200msウィンドウのRMS値でサイジングし、次にウィンドウ内のピークをカバーするモジュールの短時間過負荷能力を確認することです。フィルタと変圧器のマッチング。変圧器インピーダンスは、利用可能な短絡レベルと既存のコンデンサとの自然共振の両方を設定します。6％インピーダンスの1,000 kVA変圧器が400Vボードに供給する場合、同一負荷でも4％の630 kVAユニットとは大きく異なります。変圧器定格、インピーダンス、および既存のコンデンサkVArをサイジングシートに記録してください。フィルタフレームは同じかもしれませんが、制御設定とゲイン制限は異なります。減衰の少ないネットワークでは、コミッショニング時の振動として違いがすぐに現れます。

アナライザーは、特に高次成分や歪んだ波形でのニュートラル電流に関して意見が異なります。仕様が測定スペクトルに依存する場合、機器クラスと校正日を尋ね、2つの調査が支配的な次数で10％以上異なる場合は、2番目のデバイスで再測定してください。単一の検証されていないキャプチャでサイジングすることは、フィルタが失敗したか、調査が間違っていたかを議論することになるプロジェクトのやり方です。よくある質問THDiだけでAHFをサイジングできますか？

いいえ。THDiは、電流がないパーセンテージです。歪みをアンペアに変換するには、負荷電流と個々の高調波次数が必要です。パーセンテージだけでサイジングすると、過剰なフレームまたはターゲットに到達できないユニットになります。どのくらいのヘッドルームを指定すべきですか？

計算された高調波電流を20〜30％上回るのが一般的です。この許容範囲は、周囲温度 derating、制御ヘッドルーム、および短期間の負荷成長をカバーします。拡張計画のあるサイトでは、より大きな単一ユニットではなく、モジュラーフレームを検討する必要があります。負荷の成長はより大きなフィルタを必要としますか？

はい、高調波スペクトルが類似している場合です。高調波電流は基本電流に比例してスケールするため、負荷を倍増させると必要な補償電流も約倍増します。追加モジュールを並列接続することは、その成長を追跡する最も安価な方法です。ニュートラルを計算に含めるべきですか？

4線式システムでは、はい。3次高調波はニュートラルに加算され、ニュートラル電流を無視するフィルタは過熱を解決しません。4線式ユニットを指定し、サイジングシートに測定されたニュートラル電流を含めてください。測定されたスペクトルに偶数次高調波がある場合はどうなりますか？

偶数次高調波は通常、半波整流器、DCドライブ、または測定の問題を示します。2番目の機器で確認し、フィルタが偶数次高調波をターゲットにできることを確認してください。多くのユニットは、パッシブソリューションにはないプログラム可能な次数選択を許可します。

690Vシステムではサイジング計算は異なりますか？

算術は同一ですが、絶縁、エンクロージャー保護、および熱設計は異なります。同じ電力で電流が低くなるため、690Vの鉱業設置は、同等の400V負荷よりも小さい電流フレームを必要とすることが多く、環境保護への注意がより多く必要になります。

結論

アクティブ高調波フィルタのサイジングは、カタログ検索ではなく、測定駆動型の計算です。最大需要時にスペクトルをキャプチャし、高調波電流をRMSで合計し、1.3の設計係数を適用し、必要に応じて無効電力負荷を追加し、設置場所の周囲条件を確認します。購入注文の前にこれを行うと、コンプライアンスリスクが予測可能なエンジニアリング成果に変わり、この製品カテゴリで最も高価な2つのエラー（テストに合格するには小さすぎるフィルタと、注文を獲得するには大きすぎるフィルタ）を防ぎます。

電力品質レポートを送信していただければ、サイジングシートを返送します。

負荷リスト、測定スペクトル、およびコンプライアンスターゲットを提供していただければ、エンジニアがフレームサイズ、取り付け形式、および予想される設置後のTHDiを確認します。カスタム定格のOEMおよびODMプロジェクトも歓迎します。

サイジング提案については、エンジニアリングチームにお問い合わせください

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