Гармоніки, K-фактор і трансформатори: коли нелінійні навантаження вимагають зниження потужності

Трансформатор потужністю 1 000 кВА розрахований на 1 000 кВА синусоїдального струму 50 Гц. Подаючи той же RMS струм на 50 Гц плюс 5-ті, 7-мі та 11-ті гармоніки, втрати в обмотках помітно зростають, оскільки втрати від вихрових струмів зростають зі збільшенням частоти в квадраті. Це причина K-фактора та "гармонійного зниження потужності", які ви знайдете в специфікаціях дата-центрів та промисловості.

Звідки беруться гармоніки

• Шестипульсні випрямлячі та перетворювачі змінної швидкості: 5-ті та 7-мі гармоніки, THDi 30–80 % без фільтрів.
• Системи безперебійного живлення та блоки живлення серверів: 3-тя (в нейтральному!), 5-та, 7-ма.
• Драйвери LED та флуоресцентного освітлення.
• Інвертори PV та батарей: сучасні пристрої мають THDi нижче 5 % і зазвичай не викликають занепокоєння.

K-фактор

K-фактор (UL 1562 / IEEE C57.110) оцінює кожен гармонійний струм квадратом його порядку:

K = Σ (Ih / I1)² · h² для h = 1, 2, 3, …

Чиста синусоїда має K = 1. Навантаження з 20 % 5-ї та 14 % 7-ї гармоніки має K ≈ 1 + 0.04·25 + 0.02·49 ≈ 3. Європейським еквівалентом є "фактор K" в EN 50464-3 / IEC 61378, який призводить до фактора зниження потужності, а не класу трансформатора.

K-фактор	Типове навантаження	Стандартна потужність трансформатора
1	Двигуни, опалення, лампи розжарювання	100 %
4	Офіси з IT-обладнанням, змішані приводи	≈ 85–90 %
13	Дата-центр, навантаження з домінуванням UPS, зварювання	≈ 70–75 %
20	Випрямлячі, великі системи приводів	≈ 60 %

Три способи впоратися з цим

1. Знизити потужність стандартного пристрою. Для навантаження K-13 потужністю 700 кВА виберіть трансформатор на 1 000 кВА. Просто, і більший пристрій також має нижче пов'язане з UK спотворення напруги. Часто це найдешевший варіант для рейтингів PNACHO, оскільки наступний розмір коштує менше, ніж спеціальний дизайн.
2. Вказати проект з K-рейтингом. Транспоновані або фольговані низьковольтні обмотки, більший нейтральний провідник (для навантажень з 3-ю гармонікою до 173 % від фазного струму), посилене охолодження. Довший термін виконання; виправдано для великих дата-центрів.
3. Фільтрувати на джерелі. Активні гармонійні фільтри або 12-пульсні приводи зменшують THDi нижче 5 %, і трансформатор бачить майже синусоїдальний струм. Зазвичай це найбільш економічне рішення понад 1 МВА.

Для трансформаторів PNACHO

Обидві серії справляються з гармонійним вмістом звичайних комерційних та промислових навантажень (K ≤ 4) на їх номінальному значенні. Для навантажень з домінуванням UPS або випрямлячів надішліть нам гармонійний спектр або K-фактор з дослідження навантаження; ми виберемо рейтинг з відповідним запасом – наприклад, PNACHO-D на один розмір більший з комплектом вентилятора AF, який додає резерв охолодження точно там, де з'являються гармонійні втрати.