Come selezionare un contattore per condensatori per un banco di condensatori con potenza nominale in kvar

Perché un contattore di un motore si guasta in un banco di condensatori

All'istante dell'attivazione, un condensatore scarico presenta inizialmente un'impedenza molto bassa, pertanto il primo transitorio di corrente può essere estremamente elevato. A differenza di un avvolgimento di un motore, non vi è alcuna forza controelettromotrice del motore a limitare la corrente iniziale. L'entità del transitorio è determinata in gran parte dall'impedenza della sorgente, dalle caratteristiche del trasformatore e dall'induttanza delle sbarre collettrici e dei cavi.

La conseguenza è un impulso di corrente che può essere molte volte superiore alla corrente di regime del condensatore. Diversi effetti si verificano contemporaneamente e l'esposizione ripetuta può accelerare l'erosione dei contatti e aumentare il rischio di saldatura dei contatti.

Per un banco di condensatori isolato, la corrente di spunto di picco può raggiungere diverse decine di volte la corrente nominale del condensatore. Quando un nuovo banco viene collegato in parallelo a stadi di condensatori già alimentati, il transitorio può diventare sostanzialmente più elevato perché l'energia può fluire tra i banchi alimentati e quelli in ingresso. Il picco effettivo dipende dall'impianto e non deve essere considerato come un moltiplicatore fisso.

Il transitorio può anche contenere oscillazioni ad alta frequenza. I dati applicativi del produttore indicano comunemente una frequenza transitoria nell'ordine di pochi kilohertz, con valori possibili compresi tra circa 3 kHz e 15 kHz a seconda della rete e della configurazione di commutazione. Questi impulsi di corrente ad alta frequenza si verificano durante un intervallo molto breve, anziché come un carico continuo a 50 o 60 Hz.

Cosa viene effettivamente testato dalla categoria AC-6b

Le categorie di utilizzo descrivono il tipo di carico e le condizioni di commutazione per cui un contattore è progettato e testato. Due dispositivi possono avere valori nominali di corrente simili pur essendo destinati a impieghi elettrici molto diversi. Per le applicazioni con condensatori, la categoria di utilizzo rilevante per la commutazione di banchi di condensatori è AC-6b , secondo la norma IEC 60947-4-1. La norma IEC 60947-4-1:2023 riguarda i contattori elettromeccanici e gli avviatori per motori per applicazioni a bassa tensione fino a 1,000 V CA e 1,500 V CC.

È importante non interpretare la norma AC-6b nel senso che ogni evento di commutazione del condensatore produca un moltiplicatore di corrente di spunto fisso. Il transitorio effettivo dipende dall'installazione. I dati applicativi del produttore mostrano che la commutazione del condensatore può produrre correnti transitorie ad alta ampiezza e alta frequenza, mentre la corrente di picco ammissibile e la durata elettrica di un particolare contattore devono essere ricavate dalle specifiche del produttore.

Un contattore con classificazione AC-6b è quindi progettato per resistere alle sollecitazioni elettriche associate alla commutazione dei condensatori, piuttosto che semplicemente alla corrente di regime. A seconda del progetto del produttore, la corrente di picco ammissibile e la durata elettrica possono essere sostanzialmente diverse da quelle di un contattore standard per motori.

Ad esempio, i dati del produttore per i contattori di commutazione capacitiva dedicati possono specificare correnti di picco ammissibili fino a 200 volte la corrente nominale in determinate condizioni di applicazione, mentre la durata elettrica e la frequenza di commutazione massima sono specificate separatamente. Questi valori sono specifici del prodotto e non devono essere applicati come valori universali a tutti i contattori capacitivi.

Questo è anche il motivo per cui il valore di corrente o kvar indicato nella colonna del carico del condensatore non deve essere confrontato direttamente con la potenza nominale AC-3 di un contattore motore standard. La categoria di utilizzo descrive sia il lavoro di commutazione che il carico. Per una comprensione più approfondita delle caratteristiche nominali dei contattori, la nostra guida completa illustra le diverse categorie di utilizzo e i valori che si possono incontrare nelle schede tecniche.

Espressione numerica della corrente di spunto

La corrente di spunto non è un multiplo fisso. Dipende dall'impedenza della sorgente, dalle caratteristiche del trasformatore, dall'induttanza del circuito, dalla configurazione del banco di condensatori e dal fatto che altri stadi di condensatori siano già alimentati.

Per una stima ingegneristica semplificata, il transitorio può essere correlato alla tensione e all'impedenza caratteristica del circuito LC. Tuttavia, nella progettazione pratica dei PFC, gli ingegneri utilizzano normalmente i dati applicativi del produttore o calcolano l'intera rete anziché assumere un moltiplicatore universale.

In pratica, la configurazione di commutazione è importante quasi quanto la dimensione del banco di condensatori. Uno stadio da 50 kvar che costituisce l'unico condensatore su una linea di alimentazione ha un compito di commutazione diverso rispetto allo stesso stadio da 50 kvar collegato come ulteriore stadio in un quadro PFC automatico.

Per questo motivo, è opportuno verificare le specifiche di corrente di picco ammissibili del produttore ogniqualvolta la configurazione PFC preveda più stadi di condensatori o commutazioni in serie.

Come le resistenze di smorzamento limitano il primo transitorio

La soluzione ingegneristica standard consiste nell'introdurre un'impedenza durante la fase iniziale di energizzazione, in modo che il primo transitorio di corrente sia limitato prima che i contatti principali siano attraversati dalla corrente massima del condensatore.

I contattori dedicati per applicazioni con condensatori raggiungono questo obiettivo tramite contatti a chiusura anticipata e resistori di smorzamento di pre-inserimento. La temporizzazione esatta dei contatti e la configurazione del circuito dipendono dal progetto del contattore. La sequenza può essere compresa in tre fasi:

• Nome, i contatti di pre-inserimento si chiudono. La corrente inizialmente fluisce attraverso le resistenze di smorzamento, riducendo la gravità del primo transitorio visto dai contatti principali.
• SecondoI contatti principali si chiudono dopo un breve intervallo. I contatti principali bypassano quindi il percorso di smorzamento e stabiliscono la normale connessione a bassa impedenza con il banco di condensatori.
• TerzaQuando il contattore si apre, i contatti principali si separano per primi, mentre il circuito di pre-inserimento rimane collegato per la sequenza richiesta. L'esatta sequenza di apertura è specifica per ogni prodotto ed è progettata per gestire l'energia immagazzinata nel condensatore e la tensione residua durante la disconnessione.

Ecco perché un contattore a condensatore dedicato ha un aspetto diverso da un contattore motore standard. Il circuito resistivo, la disposizione dei contatti di pre-inserimento e il sistema di contatti sono progettati specificamente per gestire i transitori di commutazione del condensatore. La serie UKC1 di KRIPAL utilizza un meccanismo di pre-inserimento con un circuito resistivo di precarica per limitare la corrente di spunto prima dell'innesto dei contatti principali.

Lettura della scheda tecnica di un contattore capacitivo

Questa è la parte che genera maggiore confusione in fase di acquisto. La scheda tecnica di un contattore a condensatore non fornisce necessariamente un valore universale in kvar. Il valore di kvar consentito può variare in base alla tensione di sistema, pertanto è necessario utilizzare la colonna relativa alla tensione corretta per l'applicazione specifica.

Il motivo è che la capacità di commutazione del condensatore del contattore è correlata al carico elettrico imposto dal banco di condensatori. Il valore in kvar non è quindi intercambiabile con la corrente nominale generale AC-1 o AC-3.

Di seguito è riportata la tabella di selezione dei condensatori di commutazione KRIPAL UKC1 utilizzata per la gamma:

L'attuale famiglia di prodotti UKC1 di KRIPAL copre correnti da 9A a 85A, con modelli che includono contattori a condensatore da 50A e 75A. Per la scelta di un modello specifico, si prega di fare riferimento alle informazioni sul prodotto pubblicate dal produttore.

Una regola utile è quindi semplice: selezionare il contattore capacitivo dalla tabella dei kvar del produttore per la tensione di sistema effettiva, quindi verificare le condizioni di applicazione complete. Non ricavare la potenza nominale del contattore capacitivo dalla sola corrente nominale generale in AC-3. La potenza nominale di commutazione del condensatore pubblicata dal produttore è il punto di partenza appropriato per la selezione finale.

Esempio pratico per un banco di 50 kvar a 400 V

Si consideri un quadro PFC automatico con uno stadio da 50 kvar a 400 V, in un impianto con contenuto armonico dovuto agli azionamenti a velocità variabile. Si seguano i passaggi in ordine.

• Primo passo: calcolare la corrente nominale del condensatore.
  Per un sistema trifase: I = Q / (√3 × U)
  Per uno stadio da 50 kvar, 400 V: I = 50,000 / (1.732 × 400) ≈ 72 A
  Questa è la corrente reattiva nominale alla tensione indicata.
• Secondo passaggio: considerare la corrente continua ammissibile del ramo del condensatore.
  A causa delle variazioni di tensione, della tolleranza di capacità e delle correnti armoniche, le batterie di condensatori possono essere soggette a correnti superiori alla loro corrente nominale alla frequenza fondamentale. A seconda dello standard applicabile ai condensatori e delle condizioni di progetto, per il ramo dei condensatori e le relative apparecchiature potrebbe essere necessario considerare un valore pari a circa 1.3-1.5 volte la corrente nominale. I dati applicativi del produttore indicano inoltre un valore pari a circa 1.5 volte la corrente nominale come parametro di progettazione per le applicazioni di commutazione dei condensatori. Tuttavia, questo fattore non deve essere moltiplicato meccanicamente per la corrente nominale AC-3 del contattore e quindi utilizzato come sostituto della sua potenza nominale in kvar per applicazioni sui condensatori. Il contattore deve essere selezionato utilizzando i dati specifici del produttore per la commutazione dei condensatori.
• Terzo passaggio: selezionare dalla colonna kvar.
  Per un sistema a 400 V, utilizzare la colonna 400–440 V nella tabella di selezione dei contattori per condensatori. Individuare il modello la cui potenza nominale di commutazione dei condensatori (kvar) pubblicata sia adatta allo stadio da 50 kvar. Nella tabella di selezione KRIPAL sopra riportata, il modello UKC(D)1-75C è indicato con una potenza di 54 kvar per 400–440 V, il che lo rende un candidato per uno stadio da 50 kvar. La selezione finale del modello deve essere verificata confrontandola con la scheda tecnica KRIPAL più recente e con le condizioni di commutazione complete, in particolare in presenza di più stadi di condensatori o reattori di sintonia.
• Quarto passaggio: confermare la configurazione dello switch.
  Se questo stadio può essere alimentato mentre altri stadi di condensatori sono già collegati al bus, la corrente di spunto può essere sostanzialmente più elevata rispetto a quella di un banco isolato. Pertanto, è necessario verificare la corrente di picco ammissibile del contattore, la frequenza di commutazione e i requisiti applicativi del produttore del PFC.

Se il progetto utilizza un reattore di sintonia ridotta, è necessario valutare l'intero gruppo condensatore-reattore anziché selezionare il contattore basandosi unicamente sulla potenza nominale del condensatore.

Come la detuning dei reattori modifica il calcolo

I banchi PFC detunati aggiungono un reattore in serie, comunemente specificato con un'impedenza del 5.67%, 7% o 14%. Il reattore sposta la frequenza di risonanza LC al di sotto di un ordine armonico selezionato e contribuisce a ridurre il rischio di risonanza armonica tra il banco di condensatori e la rete di alimentazione.

Per un sistema a 50 Hz, la frequenza di sintonizzazione approssimativa può essere espressa come: fᵣ = f / √p (dove p è la percentuale di impedenza del reattore espressa in decimale).

Il reattore modifica anche il comportamento transitorio e alla frequenza fondamentale del ramo del condensatore. Può alterare sostanzialmente la corrente di spunto, ma il transitorio effettivo dovrebbe essere valutato per l'intera configurazione condensatore-reattore-rete, piuttosto che presumere che si riduca a un multiplo fisso.

Anche la corrente di ramo e la potenza reattiva erogata devono essere considerate come parte integrante dell'intero gruppo condensatore-reattore. L'impedenza del reattore, la potenza nominale del condensatore, la tensione di esercizio e la potenza reattiva erogata desiderata influiscono sul progetto finale.

In pratica, ciò significa che la selezione del contattore deve essere effettuata per il gruppo condensatore-reattore approvato, piuttosto che per un semplice banco di condensatori. Se in seguito al progetto viene aggiunto un reattore, la selezione originale del contattore deve essere rivista in base alla corrente di ramo rivista, ai transitori di commutazione e ai dati applicativi del produttore.

Frequenza di commutazione e durata prevista

Non tutti i quadri PFC commutano alla stessa frequenza e la scelta del contattore dovrebbe riflettere il ciclo di lavoro effettivo piuttosto che solo la dimensione del banco. Un singolo banco a commutazione manuale e un quadro PFC automatico a risposta rapida sono applicazioni diverse.

La durata elettrica è specifica per ogni prodotto. I contattori dedicati alla commutazione di condensatori possono avere valori di durata in corrente alternata 6b e frequenze massime di commutazione elettrica sostanzialmente diversi a seconda del progetto. Ad esempio, i dati pubblicati dai produttori possono specificare centinaia di migliaia di cicli operativi in ​​corrente alternata 6b per particolari famiglie di contattori, ma questo non deve mai essere dato per scontato per ogni contattore a condensatore.

Gli intervalli di manutenzione devono pertanto seguire le raccomandazioni del produttore del contattore e il carico di lavoro effettivo del quadro PFC. Se durante la manutenzione viene misurata la resistenza di contatto, il risultato deve essere valutato in base al metodo di prova e al limite di accettazione specificati dal produttore, anziché in base a un valore universale come 100 microohm.

Cosa includere nelle specifiche di acquisto

La maggior parte degli errori di selezione è riconducibile a una richiesta incompleta. Se le specifiche riportate di seguito vengono inviate insieme alla richiesta, il fornitore può selezionare un dispositivo testato in base al carico di commutazione effettivo del condensatore, anziché fare una stima basandosi su un valore di amperaggio.

• Tensione e frequenza del sistema, inclusa la tensione operativa massima prevista.
• Fase kvar e disposizione del collegamento, a delta o a stella.
• Se è installato un reattore di disallineamento e, se nota, qual è la sua percentuale di impedenza.
• Numero di stadi e possibilità di alimentarli mentre altri sono già collegati.
• Numero di operazioni previste al giorno e tempo minimo di interruzione tra le ricollegazioni.
• Temperatura ambiente e condizioni dell'involucro all'interno del pannello.
• Tensione e tipo di alimentazione della bobina.
• Contatti ausiliari necessari per l'indicazione e l'interblocco.
• Requisiti di coordinamento con fusibili o interruttori a monte.
• Standard di riferimento e, ove pertinente, un certificato rilasciato da un laboratorio riconosciuto.

Due di questi aspetti meritano di essere sottolineati. La tensione operativa massima è importante perché la corrente reattiva del condensatore e il carico di lavoro di commutazione dipendono dalla tensione effettiva del sistema. Un sistema nominale di 400 V deve quindi essere verificato rispetto all'intervallo di tensione applicabile nella tabella del carico di lavoro del condensatore del contattore. Anche il tempo minimo di interruzione è importante. Un condensatore che non si è scaricato a sufficienza prima di richiudersi può presentare una differenza di tensione significativa nell'istante della commutazione. Ciò può produrre un transitorio più grave rispetto a un banco di condensatori completamente scaricato.

Errori che si ripetono in ogni progetto

Nei progetti di banchi di condensatori si verificano ripetutamente diversi errori di selezione:

• Selezione basata esclusivamente sul rating attuale: Un contattore con una capacità di corrente AC-3 sufficiente non è automaticamente adatto alla commutazione di condensatori. Verificare la potenza nominale del condensatore e i dati applicativi AC-6b forniti dal produttore.
• Ignorando la corrente di spunto del condensatore: La corrente nominale in kvar non rappresenta la corrente transitoria all'accensione. La configurazione di commutazione, l'impedenza della sorgente e l'eventuale presenza di altri stadi di condensatori già alimentati possono influenzare significativamente la corrente di picco.
• Utilizzando valori generici di resistenza: Non dare per scontato che un contattore con una determinata durata nominale per un certo numero di operazioni abbia la stessa durata elettrica quando si commutano banchi di condensatori. Verificare la durata elettrica e la frequenza di commutazione consentite specificate per il contattore AC-6b.
• Trattare tutti i banchi di condensatori come un unico carico: Un singolo banco isolato, un pannello PFC automatico multistadio e un banco che opera con reattori detunati possono imporre diverse condizioni di commutazione. La scelta deve riflettere la configurazione effettiva del sistema.
• Ignorando le armoniche e disallineando i reattori: La distorsione armonica può aumentare la corrente del condensatore e lo stress elettrico. Laddove si utilizzino reattori, è opportuno valutare l'intera configurazione condensatore-reattore anziché applicare un fattore di correzione generico.
• Scegliere la protezione a monte senza verificare il coordinamento: Nella scelta del fusibile o dell'interruttore automatico è necessario tenere conto della corrente continua del banco di condensatori, delle condizioni di corrente di spunto, del livello di guasto e delle raccomandazioni di coordinamento del produttore.
• Utilizzo di un intervallo di riconnessione non idoneo: I condensatori possono mantenere la tensione anche dopo la disconnessione. Il regolatore PFC e il circuito di scarica devono prevedere un ritardo di riconnessione adeguato, in modo che la tensione del condensatore si sia ridotta a un livello sufficiente prima della riattivazione.
• Applicazione delle specifiche del contattore motore al funzionamento con condensatore: Le specifiche AC-3 descrivono il funzionamento a commutazione del motore e non devono essere utilizzate in sostituzione dei dati relativi al funzionamento a condensatore nella scelta di un contattore per applicazioni PFC.