Hoe selecteer je een condensatorschakelaar voor een condensatorbank met een vermogen van kvar?

Waarom een ​​motorschakelaar in een condensatorbank defect raakt

Op het moment van inschakeling heeft een ontladen condensator aanvankelijk een zeer lage impedantie, waardoor de eerste stroompiek extreem hoog kan zijn. In tegenstelling tot een motorwikkeling is er geen tegen-EMK van de motor die de initiële stroom beperkt. De omvang van de piek wordt grotendeels bepaald door de bronimpedantie, de transformatorkarakteristieken en de inductantie van de rails en kabels.

Het gevolg is een stroompuls die vele malen hoger kan zijn dan de stationaire stroom van de condensator. Verschillende effecten treden tegelijkertijd op en herhaalde blootstelling kan de contacterosie versnellen en het risico op contactlassen vergroten.

Bij een geïsoleerde condensatorbank kan de piekinschakelstroom tientallen keren hoger zijn dan de nominale condensatorstroom. Wanneer een nieuwe bank parallel wordt geschakeld met reeds bekrachtigde condensatorfasen, kan de transient aanzienlijk hoger worden omdat er energie kan vloeien tussen de bekrachtigde en de nieuwe bank. De werkelijke piek is afhankelijk van de installatie en mag niet als een vaste vermenigvuldigingsfactor worden beschouwd.

De transient kan ook hoogfrequente oscillaties bevatten. Fabrikanten geven in hun toepassingsgegevens doorgaans een transientfrequentie aan in het bereik van enkele kilohertz, met een mogelijke frequentie van ongeveer 3 kHz tot 15 kHz, afhankelijk van het netwerk en de schakelconfiguratie. Deze hoogfrequente stroompulsen treden op gedurende een zeer kort interval, in plaats van als een continue belasting van 50 of 60 Hz.

Wat de AC-6b-categorie daadwerkelijk test

Gebruikscategorieën beschrijven het type belasting en schakelomstandigheden waarvoor een contactor is ontworpen en getest. Twee apparaten kunnen vergelijkbare nominale stroomwaarden hebben, terwijl ze bedoeld zijn voor zeer verschillende elektrische toepassingen. Voor condensatortoepassingen is AC-6b de relevante gebruikscategorie voor schakelende condensatorbanken volgens IEC 60947-4-1. IEC 60947-4-1:2023 behandelt elektromechanische contactoren en motorstarters voor laagspanningstoepassingen tot 1,000 V wisselstroom en 1,500 V gelijkstroom.

Het is belangrijk om AC-6b niet zo te interpreteren dat elke condensatorschakelgebeurtenis een vaste inschakelstroomvermenigvuldiger produceert. De werkelijke transiënt is afhankelijk van de installatie. Uit toepassingsgegevens van de fabrikant blijkt dat condensatorschakeling transiënte stromen met een hoge amplitude en hoge frequentie kan veroorzaken, terwijl de toelaatbare piekstroom en elektrische levensduur van een specifieke contactor moeten worden afgelezen uit de specificaties van de fabrikant.

Een AC-6b-geclassificeerde contactor is daarom ontworpen voor de elektrische belasting die gepaard gaat met het schakelen van condensatoren, en niet alleen voor de stationaire stroom. Afhankelijk van het ontwerp van de fabrikant kunnen de toelaatbare piekstroom en de elektrische levensduur aanzienlijk verschillen van die van een standaard contactor voor motortoepassingen.

Fabrikantgegevens voor condensatorschakelcontactoren kunnen bijvoorbeeld toelaatbare piekstromen specificeren die tot 200 keer de nominale stroom bedragen onder bepaalde toepassingsomstandigheden, terwijl de elektrische levensduur en de maximale schakelfrequentie afzonderlijk worden gespecificeerd. Deze waarden zijn productspecifiek en mogen niet als universele waarden worden toegepast op elke condensatorschakelcontactor.

Dit is ook de reden waarom de stroom- of kvar-waarde die in een kolom voor condensatorbelasting wordt weergegeven, niet rechtstreeks vergeleken mag worden met de AC-3-waarde van een standaard motorschakelaar. De gebruikscategorie beschrijft zowel de schakelbelasting als de belasting. Voor een beter begrip van contactorwaarden kunt u onze complete handleiding raadplegen, waarin de verschillende gebruikscategorieën en datasheetwaarden die u kunt tegenkomen, worden uitgelegd.

Inschakelstroom in cijfers uitdrukken

De inschakelstroom is geen vast veelvoud. Deze hangt af van de bronimpedantie, de transformatorkarakteristieken, de circuitinductantie, de configuratie van de condensatorbank en of andere condensatortrappen al bekrachtigd zijn.

Voor een vereenvoudigde technische schatting kan de transient worden gerelateerd aan de spanning en de karakteristieke impedantie van het LC-circuit. In de praktijk gebruiken ingenieurs bij het ontwerpen van PFC's echter meestal de toepassingsgegevens van de fabrikant of berekenen ze het complete netwerk in plaats van een universele vermenigvuldiger aan te nemen.

Het praktische punt is dat uw schakelconfiguratie bijna net zo belangrijk is als de grootte van de condensatorbank. Een 50 kvar-trap die de enige condensator op een voedingslijn is, heeft een andere schakelfunctie dan dezelfde 50 kvar-trap die is aangesloten als een extra stap in een automatisch PFC-paneel.

Om deze reden moet de door de fabrikant vastgestelde specificatie voor de toelaatbare piekstroom worden gecontroleerd wanneer de PFC-configuratie meerdere condensatortrappen of back-to-back-schakelingen omvat.

Hoe dempingsweerstanden de eerste transient beperken

De standaard technische oplossing is om tijdens de eerste inschakelperiode impedantie te introduceren, zodat de eerste stroompiek wordt beperkt voordat de hoofdcontacten de volledige condensatorstroom voeren.

Speciaal ontworpen condensatorcontactoren bereiken dit door middel van vroegtijdige inschakelcontacten en dempingsweerstanden vóór de inschakeling. De exacte timing van de contacten en de circuitconfiguratie zijn afhankelijk van het ontwerp van de contactor. De sequentie kan worden begrepen in drie fasen:

• Voornaam*De voorcontacten sluiten. Aanvankelijk vloeit er stroom door de dempingsweerstanden, waardoor de ernst van de eerste transient die de hoofdcontacten ondervinden, wordt verminderd.
• SecondeDe hoofdcontacten sluiten na een korte tijd. De hoofdcontacten omzeilen vervolgens het dempingspad en leggen de normale laagimpedantieverbinding met de condensatorbank tot stand.
• DerdeWanneer de contactor opent, scheiden de hoofdcontacten zich eerst, terwijl het voorschakelcircuit gedurende de vereiste volgorde verbonden blijft. De exacte openingsvolgorde is productspecifiek en is ontworpen om de opgeslagen energie en restspanning van de condensator tijdens het loskoppelen te beheersen.

Dit is de reden waarom een ​​speciale condensatorcontactor er anders uitziet dan een standaard motorcontactor. Het weerstandscircuit, de voorschakelcontacten en het contactsysteem zijn specifiek ontworpen voor de transiënten die optreden bij het schakelen van condensatoren. De UKC1-serie van KRIPAL maakt gebruik van een voorschakelmechanisme met een voorlaadweerstandscircuit om de inschakelstroom te beperken voordat de hoofdcontacten aangrijpen.

Het lezen van een datasheet van een condensatorcontactor

Dit is het onderdeel dat bij de inkoop de meeste verwarring veroorzaakt. Een datasheet van een condensatorschakelaar geeft niet per se één universele kvar-waarde. De toegestane kvar-waarde kan variëren afhankelijk van de systeemspanning, dus moet de juiste spanningskolom voor de toepassing worden gebruikt.

De reden hiervoor is dat het vermogen van de contactor om condensatoren te schakelen afhankelijk is van de elektrische belasting die door de condensatorbank wordt geleverd. De kvar-waarde is daarom niet uitwisselbaar met de algemene AC-1- of AC-3-stroomsterkte.

Hieronder vindt u de selectietabel voor condensatorschakelingen van de KRIPAL UKC1 die voor dit assortiment wordt gebruikt:

De huidige UKC1-productfamilie van KRIPAL omvat stromen van 9A tot 85A, met productlijsten waaronder condensatorcontactoren van 50A en 75A. De door de fabrikant gepubliceerde productinformatie dient als definitieve referentie te worden gebruikt bij de selectie van een specifiek model.

Een handige vuistregel is daarom simpel: selecteer de condensatorschakelaar aan de hand van de kvar-tabel met condensatorvermogens van de fabrikant voor de werkelijke systeemspanning en controleer vervolgens de volledige toepassingsomstandigheden. Bepaal het condensatorvermogen niet alleen op basis van de algemene AC-3-stroomsterkte van de schakelaar. Het door de fabrikant gepubliceerde condensatorschakelvermogen is het juiste uitgangspunt voor de uiteindelijke selectie.

Uitgewerkt voorbeeld voor een 50 kvar accubank bij 400 V

Neem een ​​automatisch PFC-paneel met een 50 kvar-trap op 400 V, in een installatie met wat harmonische vervorming door frequentieregelaars. Doorloop de stappen in de juiste volgorde.

• Stap één: bereken de nominale condensatorstroom.
  Voor een driefasensysteem geldt: I = Q / (√3 × U)
  Voor een trap van 50 kvar, 400 V: I = 50,000 / (1.732 × 400) ≈ 72 A
  Dit is de nominale reactieve stroom bij de opgegeven spanning.
• In de tweede stap moet u de toelaatbare continue stroom van de condensatortak in overweging nemen.
  Condensatorbanken kunnen een stroomsterkte ervaren die hoger is dan hun nominale stroomsterkte bij de grondfrequentie als gevolg van spanningsvariaties, capaciteitstolerantie en harmonische stromen. Afhankelijk van de toepasselijke condensatornorm en ontwerpcondities kan het nodig zijn om voor de condensatortak en bijbehorende apparatuur rekening te houden met een waarde van ongeveer 1.3 tot 1.5 keer de nominale stroomsterkte. Fabrikanten geven ook aan dat ongeveer 1.5 keer de nominale stroomsterkte een ontwerpcriterium is voor condensatorschakeltoepassingen. Deze factor mag echter niet mechanisch worden vermenigvuldigd met de AC-3-waarde van de contactor en vervolgens worden gebruikt als vervanging voor de kvar-waarde van de condensator. De contactor moet worden geselecteerd op basis van de specifieke condensatorschakelgegevens van de fabrikant.
• Stap drie: selecteer een waarde uit de kolom kvar.
  Voor een 400 V-systeem gebruikt u de kolom 400–440 V in de selectietabel voor condensatorcontactoren. Zoek het model waarvan het gepubliceerde vermogen (kvar) van de condensatorschakeling geschikt is voor de 50 kvar-trap. In de bovenstaande KRIPAL-selectietabel staat de UKC(D)1-75C vermeld met 54 kvar voor 400–440 V, waardoor deze een kandidaat is voor een 50 kvar-trap. De uiteindelijke modelkeuze moet worden geverifieerd aan de hand van het meest recente KRIPAL-gegevensblad en de volledige schakelomstandigheden, met name wanneer er meerdere condensatortrappen of ontstemde reactoren bij betrokken zijn.
• Stap vier: bevestig de schakelconfiguratie.
  Als deze trap kan worden ingeschakeld terwijl andere condensatortrappen al op de bus zijn aangesloten, kan de inschakelstroom aanzienlijk zwaarder zijn dan bij een geïsoleerde condensatorbank. Controleer daarom de toelaatbare piekstroom van de contactor, de schakelfrequentie en de toepassingsvereisten van de PFC-fabrikant.

Als het project gebruikmaakt van een ontstemde reactor, moet de complete condensator-reactorcombinatie worden geëvalueerd in plaats van de contactor alleen op basis van het vermogen van de condensator te selecteren.

Hoe het ontstemmen van reactoren de berekening beïnvloedt

Ontstemde PFC-condensatorbanken voegen een seriereactor toe, die doorgaans een impedantie heeft van 5.67%, 7% of 14%. De reactor verschuift de LC-resonantiefrequentie naar een lagere harmonische orde en helpt het risico op harmonische resonantie tussen de condensatorbank en het voedingsnet te verminderen.

Voor een 50 Hz-systeem kan de geschatte afstemfrequentie als volgt worden uitgedrukt: fᵣ = f / √p (waarbij p het percentage reactorimpedantie is, uitgedrukt als een decimaal getal).

De reactor verandert ook het transiënte gedrag en het gedrag bij de grondfrequentie van de condensatortak. Het kan de inschakelstroom aanzienlijk beïnvloeden, maar de werkelijke transiënte stroom moet worden geëvalueerd voor de complete condensator-reactor-netwerkconfiguratie in plaats van aan te nemen dat deze tot een vast veelvoud daalt.

De aftakstroom en het geleverde kvar-vermogen moeten ook in de overweging worden genomen als onderdeel van de complete condensator-reactorcombinatie. De impedantie van de reactor, het vermogen van de condensator, de bedrijfsspanning en het beoogde kvar-vermogen zijn allemaal van invloed op het uiteindelijke ontwerp.

In de praktijk betekent dit dat de contactorselectie moet worden gemaakt voor de goedgekeurde condensator- en reactorcombinatie, en niet voor een losse condensatorbank. Als er later een reactor aan het project wordt toegevoegd, moet de oorspronkelijke contactorselectie worden herzien aan de hand van de aangepaste aftakstroom, schakeltransiënten en toepassingsgegevens van de fabrikant.

Schakelfrequentie en verwachte levensduur

Niet alle PFC-panelen schakelen met dezelfde frequentie, en de keuze van de contactor moet aansluiten op de werkelijke inschakelduur in plaats van alleen op de grootte van de contactbank. Een handmatig geschakelde contactbank en een snel reagerend, automatisch PFC-paneel zijn verschillende toepassingen.

De elektrische levensduur is productspecifiek. Specifieke condensatorschakelcontactoren kunnen aanzienlijk verschillende AC-6b-levensduurwaarden en maximale elektrische schakelfrequenties hebben, afhankelijk van het ontwerp. Zo kunnen gepubliceerde fabrikantgegevens honderdduizenden AC-6b-bedrijfscycli voor bepaalde contactorfamilies specificeren, maar dit mag nooit voor elke condensatorcontactor worden aangenomen.

Onderhoudsintervallen dienen daarom te voldoen aan de aanbevelingen van de contactorfabrikant en de werkelijke schakelbelasting van het PFC-paneel. Indien de contactweerstand tijdens onderhoud wordt gemeten, dient het resultaat te worden beoordeeld aan de hand van de door de fabrikant gespecificeerde testmethode en acceptatielimiet, in plaats van aan een universele waarde zoals 100 microohm.

Wat moet er in de aankoopspecificatie worden opgenomen?

De meeste selectiefouten zijn terug te voeren op een onvolledige aanvraag. Als onderstaande specificatie met de aanvraag wordt meegestuurd, kan de leverancier een getest apparaat selecteren op basis van de werkelijke schakelbelasting van de condensator, in plaats van te gokken op basis van een ampèrewaarde.

• Systeemspanning en -frequentie, inclusief de hoogst verwachte bedrijfsspanning.
• Stage kvar en de verbindingsconfiguratie, driehoek of ster.
• Of er een ontstemmingsreactor is geïnstalleerd en, indien bekend, het impedantiepercentage daarvan.
• Het aantal fasen en of deze geactiveerd kunnen worden terwijl andere fasen al zijn aangesloten.
• Verwachte dagelijkse bewerkingen en de minimale uitvaltijd tussen herverbindingen.
• Omgevingstemperatuur en behuizingsomstandigheden binnen het paneel.
• Voedingsspanning en type van de spoel.
• Vereiste hulpcontacten voor indicatie en vergrendeling.
• Afstemmingsvereisten met stroomopwaartse zekeringen of stroomonderbrekers.
• Referentiestandaard en, indien van toepassing, een certificaat van een erkend laboratorium.

Twee van deze punten verdienen extra aandacht. De maximale bedrijfsspanning is belangrijk omdat de reactieve stroom van de condensator en de schakelduur afhankelijk zijn van de werkelijke systeemspanning. Een systeem met een nominale spanning van 400 V moet daarom worden gecontroleerd aan de hand van het toepasselijke spanningsbereik in de tabel met condensatorbelastingen van de contactor. Ook de minimale uitschakeltijd is van belang. Een condensator die niet voldoende is ontladen voordat deze weer inschakelt, kan een aanzienlijk spanningsverschil veroorzaken op het moment van inschakelen. Dit kan een ernstiger transiënt veroorzaken dan een volledig ontladen condensatorbank.

Fouten die bij elk project terugkomen

Bij projecten met condensatorbanken komen verschillende selectiefouten steeds weer terug:

• Selecteren uitsluitend op basis van de huidige beoordeling: Een contactor met voldoende AC-3-stroomcapaciteit is niet automatisch geschikt voor het schakelen van condensatoren. Controleer de nominale stroomsterkte van de condensator en de toepassingsgegevens voor AC-6b van de fabrikant.
• De inschakelstroom van de condensator negeren: De nominale kvar-stroom vertegenwoordigt niet de transiënte stroom bij inschakeling. De schakelconfiguratie, de bronimpedantie en de vraag of andere condensatortrappen al bekrachtigd zijn, kunnen de piekstroom aanzienlijk beïnvloeden.
• Gebruikmakend van algemene uithoudingsvermogenscijfers: Ga er niet van uit dat een contactor die geschikt is voor een bepaald aantal schakelingen dezelfde elektrische levensduur heeft bij het schakelen van condensatorbanken. Controleer de gepubliceerde elektrische levensduur volgens de AC-6b-norm en de toegestane schakelfrequentie.
• Alle condensatorbanken als dezelfde belasting beschouwen: Een enkele geïsoleerde reactorbank, een automatisch PFC-paneel met meerdere trappen en een reactorbank die werkt met ontstemde reactoren kunnen verschillende schakelomstandigheden vereisen. De keuze moet aansluiten op de feitelijke systeemconfiguratie.
• Harmonischen negeren en reactoren ontstemmen: Harmonische vervorming kan de condensatorstroom en de elektrische belasting verhogen. Bij gebruik van reactoren dient de complete condensator-reactorconfiguratie te worden geëvalueerd in plaats van een algemene correctiefactor toe te passen.
• Het kiezen van stroomopwaartse beveiliging zonder de coördinatie te controleren: Bij de keuze van een zekering of stroomonderbreker moet rekening worden gehouden met de continue stroom van de condensatorbank, de inschakelstroom, het foutniveau en de coördinatieaanbevelingen van de fabrikant.
• Het gebruik van een ongeschikt herverbindingsinterval: Condensatoren kunnen na het loskoppelen spanning behouden. De PFC-regelaar en het ontlaadcircuit moeten een geschikte herverbindingsvertraging inbouwen, zodat de condensatorspanning voldoende is gedaald voordat de condensator opnieuw wordt ingeschakeld.
• Het toepassen van specificaties voor motorschakelaars op condensatorbelasting: De AC-3-waarden beschrijven de schakelbelasting van de motor en mogen niet worden gebruikt ter vervanging van de gegevens over de condensatorbelasting bij het selecteren van een contactor voor PFC-toepassingen.