Resonans i kondensatorbatterier: når fasekompensering og harmoniske mødes

Resonans opstår, når et kondensatorbatteri til fasekompensering og transformerens induktans tilsammen danner et svingningskredsløb med en resonansfrekvens tæt på en af de harmoniske. Så forstærkes de harmoniske strømme og spændinger kraftigt. Resultatet er overophedede kondensatorer, sprungne sikringer og i værste fald defekte kondensatorbatterier. Løsningen er typisk et kondensatorbatteri med spærredrosler, elektronisk fasekompensering eller et aktivt filter.

Et kondensatorbatteri har kørt problemfrit i mange år. Så installeres der nye frekvensomformere, og pludselig springer sikringerne i fasekompenseringen, kondensatorerne bliver varme, og de første svulmer op. Det er et klassisk eksempel på resonans mellem harmoniske og fasekompensering.

Fasekompensering og harmoniske filtre hænger tæt sammen. Kondensatorbatterier er nødvendige for at holde effektfaktoren oppe, men i en installation med mange harmoniske kan de gøre problemerne langt værre. Ifølge en artikel fra University of Wollongong, udgivet i IEEE Transactions on Applied Superconductivity, er parallelresonans dokumenteret som hovedårsagen til fejl på kondensatorer til fasekompensering.

I denne artikel får du forklaret, hvordan resonans opstår, hvordan du regner ud, om dit anlæg er i fare, og hvordan du undgår problemet. Læs også vores guide til harmoniske strømme.

Hvordan opstår resonans mellem kondensatorbatteri og net?

Resonans opstår, fordi kondensatorbatteriet og nettet reagerer modsat på frekvens. Transformeren og nettet er induktive, så deres impedans stiger med frekvensen. Kondensatorerne er kapacitive, så deres impedans falder med frekvensen. Ved én bestemt frekvens er de to lige store, og så opstår der resonans.

Set fra en frekvensomformer, der sender harmoniske strømme ud, ligger kondensatorbatteriet og transformeren parallelt. Ved resonansfrekvensen bliver impedansen meget høj. Selv en lille harmonisk strøm giver så en stor harmonisk spænding, og strømmen svinger frem og tilbage mellem kondensatorer og transformer.

Det kaldes parallelresonans, og det er den mest almindelige form i lavspændingsanlæg. Der findes også serieresonans, hvor kondensatorbatteriet og transformeren sammen trækker harmoniske strømme ind fra mellemspændingsnettet. Begge dele kan overbelaste kondensatorerne.

Hvad sker der ved resonans?

Sådan regner du resonansfrekvensen ud

Du kan få et første skøn over resonansfrekvensen med en enkel formel. Den bruger kortslutningseffekten ved skinnen, hvor kondensatorbatteriet sidder, og kondensatorbatteriets størrelse:

h ≈ √(Sk / Q)

Her er h resonansfrekvensen som harmonisk orden, Sk er kortslutningseffekten i kVA, og Q er kondensatorbatteriets effekt i kvar. Ganger du h med 50 Hz, får du resonansfrekvensen i Hz.

Kortslutningseffekten bestemmes typisk af transformeren. Ser du bort fra nettet foran transformeren, er Sk ≈ transformerens mærkeeffekt divideret med dens kortslutningsspænding (uk).

Regneeksempel: En transformer på 1000 kVA med en kortslutningsspænding på 6 % giver Sk ≈ 1000 / 0,06 ≈ 16.700 kVA.

Eksemplet viser to vigtige pointer. For det første flytter resonansfrekvensen sig, når kondensatorbatteriet kobler trin ind og ud. For det andet kommer resonansen tættere på 5. harmoniske, jo større kondensatorbatteriet er. Det er netop den harmoniske, som frekvensomformere giver mest af. Læs mere om harmoniske fra frekvensomformere.

Formlen giver kun et skøn. En præcis vurdering kræver en beregning med nettets data og en måling af de harmoniske.

Tegn på resonans i dit anlæg

Resonans viser sig ofte som problemer i fasekompenseringen, der bliver værre, når der kommer nye ikke-lineære belastninger til. Hold øje med:

• Sikringer i kondensatorbatteriet, der springer uden en tydelig årsag.
• Varme, svulmende eller lækkende kondensatorer.
• Høj THDu, når kondensatorbatteriet kobler ind, og lavere, når det kobler ud.
• Kontaktorer, der slides hurtigt eller svejser fast.
• Fejl i andet udstyr, der falder sammen med, at fasekompenseringen arbejder.
• Kondensatorbatterier, der skal udskiftes langt før forventet.

Har du set et eller flere af tegnene, så mål THDu og de harmoniske strømme med kondensatorbatteriet både ind- og udkoblet. Forskellen viser, om batteriet forstærker de harmoniske.

Sådan undgår du resonans

Du undgår resonans ved at flytte resonansfrekvensen væk fra de harmoniske eller ved at bruge en form for fasekompensering, der ikke danner resonans. De mest anvendte løsninger er spærredrosler, elektronisk fasekompensering og aktive filtre.

Kondensatorbatteri med spærredrosler

En spærredrossel er en spole, der sættes i serie med hver kondensator. Den flytter kredsløbets resonansfrekvens ned under den laveste harmoniske i anlægget, så kondensatorbatteriet ikke længere kan forstærke den. Drosselfaktoren p angiver, hvor resonansen lægges, efter formlen f ≈ 50 Hz / √p.

Et kondensatorbatteri med spærredrosler filtrerer ikke de harmoniske væk. Det sikrer kun, at det ikke selv forstærker dem. Har du for mange harmoniske, skal de stadig filtreres. Har du meget 3. harmoniske, så læs også om 3. harmoniske og nullederen.

Elektronisk fasekompensering

Elektronisk fasekompensering leverer reaktiv effekt med effektelektronik i stedet for med faste kondensatortrin. Der er ingen kondensatorbatteri, der kan danne resonans med nettet på samme måde, og kompenseringen tilpasser sig trinløst og hurtigt.

Hos Eluminate leverer vi blandt andet RPC-ESVG, som er fuldt elektronisk og programmerbar fasekompensering, og Equalizer, som kompenserer i realtid og findes i en hybridversion med aktiv filtrering af harmoniske. Se vores løsninger til fasekompensering.

Aktivt filter med fasekompensering

Et aktivt filter fjerner de harmoniske og kan samtidig kompensere reaktiv effekt. Det løser begge problemer i én enhed og danner ikke resonans med nettet. Det er en god løsning i anlæg med både lav effektfaktor og mange harmoniske. Læs mere om forskellen på aktivt og passivt filter. Se vores harmoniske filtre.

Sammenligning af løsningerne

Før du udvider eller udskifter fasekompenseringen

Mange resonansproblemer opstår, fordi fasekompenseringen er dimensioneret til et anlæg, der ikke længere findes. Der er kommet frekvensomformere, LED og ladestandere til, men kondensatorbatteriet er det samme. Derfor bør du altid få målt elkvaliteten, før du udvider, udskifter eller flytter et kondensatorbatteri.

En god vurdering omfatter:

1. Måling af harmoniske med kondensatorbatteriet ind- og udkoblet.
2. Beregning af resonansfrekvensen for alle trin i kondensatorbatteriet.
3. Behovet for reaktiv effekt over døgnet og ugen.
4. Fremtidige ændringer, fx flere frekvensomformere eller solceller.

Læs mere om måling af harmoniske.

En elkvalitetsanalyse giver dig de data, der skal til for at vælge den rigtige løsning.

Få hjælp til resonans og fasekompensering

Hos Eluminate måler vi de harmoniske og fasekompenseringens påvirkning af nettet, beregner risikoen for resonans og anbefaler den løsning, der passer til dit anlæg. Vi leverer både fasekompensering og harmoniske filtre, så vi kan løse problemet samlet.

Se vores fasekompensering, se vores harmoniske filtre eller book en elkvalitetsanalyse.

Ofte stillede spørgsmål om resonans og kondensatorbatterier

Hvorfor står mit kondensatorbatteri af?

Hvad er en spærredrossel?

Fjerner et kondensatorbatteri med spærredrosler de harmoniske?

Hvordan finder jeg ud af, om jeg har resonans?

Hvad er alternativet til et kondensatorbatteri?

Skrevet af

Anders Dahl Johnsen

Partner, CCO & Lead Consultant

Anders har mange års erfaring med elkvalitet, harmoniske filtre og måling i industri og energi, og hjælper virksomheder med at finde og løse problemer i elnettet.

anddj@eluminate.dk