Övertoner, effektfaktor och THDi vid elbilsladdning

En DC-laddare presenterar sig för nätet som en stor icke-linjär last. Den drar inte ström i proportion till spänningsvågformen; den växlar, rättar och reglerar, och strömmen den drar har en egen form. Allt som följer i detta ämne är en konsekvens av den formen.

Ordförrådet runt det är litet men ofta missbrukat. Total harmonisk distorsion och total harmonisk distorsion av ström är olika mått på olika saker. Effektfaktor har två definitioner som ger olika tal för samma utrustning. Att veta vilken som är vilken omvandlar en databladsradpost till en specifikation som du faktiskt kan verifiera.

Varför en likriktare drar en icke-sinusformad ström

En enkel likriktare leder endast när inkommande spänningen överstiger spänningen på dess likströmssida. Strömmen flyter i korta pulser runt topparna i matningsvågsformen snarare än jämnt över hela cykeln. Dessa pulser innehåller den energi lasten behöver, och de innehåller också frekvenser som är multiplar av matningsfrekvensen. Dessa multiplar är harmonierna.

Moderna laddare lägger till en korrigeringsfas framför likriktaren. Den formar ingångsströmmen att följa spänningsvågformen, vilket minskar harmonierna avsevärt. Det är därför ämnet spelar mindre roll än för äldre utrustning och varför det fortfarande är viktigt: korrigeringen är ofullkomlig, och den måste gälla över hela lastområdet istället för bara vid designpunkten.

Där korrigeringen utförs dåligt eller försvinner vid lätt belastning återvänder harmonierna. En plats som kör många enheter med låg effekt kan därför visa värre strömförvrängning än samma plats med färre enheter vid hög effekt, vilket är kontraintuitivt och ofta missas vid driftsättning.

THD och THDi är inte samma nummer

Total harmonisk distorsion, skriven utan index, syftar vanligtvis på spänning. Den beskriver hur långt matningsspänningsvågformen har avvikit från en ren sinus. Total harmonisk distorsion av ström, skriven med i, beskriver formen på den ström som utrustningen drar.

De två är relaterade men inte utbytbara, och relationen beror på impedansen i maten. En laddare med hög strömförvrängning kopplad till en styv matning ger endast en liten spänningsdistorsion. Samma laddare på en svag strömförsörjning, i slutet av en lång kabel, ger en mycket större. Det är därför en produkt kan nå sin strömdistorsionssiffra och ändå orsaka ett spänningsproblem på en viss plats.

Den praktiska regeln är att utrustningsspecifikationen beskriver vad utrustningen gör, och platsundersökningen beskriver vad platsen upplever. Ett citat som bara listar ett av de två siffrorna svarar på halva frågan.

Två definitioner av effektfaktor

Effektfaktor är reell effekt dividerat med skenbar effekt. När både spänning och ström är sinusformade är det förhållandet lika med cosinus för fasvinkeln mellan dem, och de två definitionerna sammanfaller. När strömmen är förvrängd divergerar de.

Förskjutningseffektfaktor tar endast hänsyn till de grundläggande komponenterna och ignorerar distorsion. Den sanna effektfaktorn, ibland kallad total effektfaktor, inkluderar distorsionen och är därför lägre. En enhet kan rapportera en förskjutningseffekt mycket nära enhet medan dess verkliga effektfaktor är betydligt lägre, och skillnaden bärs av harmoniska strömmar som fortfarande måste flöda genom matningen.

Denna skillnad är viktig både vid mätaren och vid transformatorn. Elbolaget fakturerar på den verkliga effektfaktorn, oavsett om den benämns så eller inte. Ett specifikationsblad som anger deplacement power factor är inte fel, men det besvarar en annan fråga än den som lagförslaget ställer.

Vad harmoniker gör med transformatorer och neutralledare

Harmoniska strömmar ger ytterligare förluster i en transformator utöver de den var designad för. Virvelströmmar i kärnan och hudeffekten i lindningarna ökar båda med frekvensen, så en förvrängd ström värmer en transformator mer än en sinusström med samma rotmedel-kvadratvärde. Den praktiska konsekvensen är nedgradering: en transformator som betjänar en kraftigt deformationslast kan inte leverera sin namnskyltskapacitet utan att överskrida sina temperaturgränser.

Neutralledaren är det andra problemet och det mer överraskande. I ett balanserat trefassystem med linjära laster tar grundströmmen ut i neutralen och den bär nästan ingenting. Triolharmoniska harmoniker — ters, nionde och femtonde — avbryts inte. De lägger till neutralen, som kan leda mer ström än vad någon enfasig ledare förväntades hantera.

På en laddarplats är detta sällan bindningsbegränsningen, eftersom laddare vanligtvis är trefaslaster med effektiv korrigering. Det blir relevant när enfasiga AC-uttag installeras i större antal på en gemensam distributionscentral, vilket är precis vad arbetsplats- och bostadsparkeringar gör.

Den tredje effekten är på själva matningsspänningen, och genom den på allt annat på plats. Förvrängd spänning orsakar ytterligare uppvärmning i motorerna, kan störa känslig utrustning och kan göra att skyddsreläer fungerar oväntat. Det är anledningen till att en grannhyresgäst kan klaga på en laddarinstallation som verkar fungera korrekt.

När en plats bör mäta om

En mätning vid idriftsättningen beskriver platsen när den byggdes. Fem situationer motiverar att ta en till.

När laddare läggs till, eftersom platsens distorsion skalar med antalet anslutna likriktare. När strömförsörjningen byts ändras en annan transformator eller en längre kabeldragning som ändrar impedansen och därmed spänningsförvrängningen för samma strömförvrängning. När annan utrustning på plats börjar bete sig illa, eftersom det är det symtom byggnaden märker först. När elbolaget ställer en fråga vid anslutningspunkten, betyder det vanligtvis att en mätning efterfrågas snarare än erbjuds. Och när en plats utnyttjandemönster förändras, eftersom lätt belastning kan ge en annan distorsion än konstruktionsfallet.

Mätningen har ett krav som ofta förbises: den måste tas vid en känd belastning. En mätning tagen med en laddare som går på låg effekt säger nästan ingenting om platsen vid toppbelastning. Den användbara posten anger antalet enheter i session, deras sammanlagda utdata och var i installationen instrumentet ansluts.

Vad ska anges i en specifikation

Tre detaljer omvandlar en marknadsföringssiffra till ett verifierbart krav.

Först, ange lastpunkten. Både distorsion och effektfaktor varierar med utgången, så en siffra utan angivet belastning är ingen specifikation. För det andra, ange vilken potensfaktordefinition som avses med förskjutning eller sann. För det tredje, ange om strömförvrängningsfiguren mäts vid terminalerna på en enskild enhet eller vid platsens anslutningspunkt, eftersom dessa är olika mätningar med olika värden.

Produkter i denna klass citerar vanligtvis sina siffror vid nominell belastning, vilket är det tillstånd under vilket korrigeringssteget arbetar hårdast och siffrorna ser bäst ut. En likströmsenhet som anger en effektfaktor på eller över 0,99 och en strömförvrängning på eller under fem procent vid full belastning beskriver en välkorrigerad konstruktion; 120 och 180 kW-stationerna samt 480 kW hubvärdar citerar sina siffror vid full belastning av den anledningen.

Frågan värd att lägga till i ett tender är vad som händer under full belastning. Ett korrigeringssteg som håller dess prestanda över hela serien är en annan design än en som uppfyller siffran högst upp och försämras under, och skillnaden syns på platser där fordon tillbringar större delen av en session med delvis effekt.

För de flesta installationer blir inget av detta ett problem. Korrigeringssteg är effektiva, och en väl utformad plats med tillräcklig transformatorkapacitet absorberar den kvarvarande distorsionen utan svårigheter. Undantagen är koncentrerade till tre platser: stora platser med många enheter på en och samma transformator, platser med betydande enfas AC-last på delade kretsar, och platser i slutet av en lång eller svag strömförsörjning där impedansen förstärker det laddarna producerar.

Dessa tre fall är värda att identifiera innan designen fastställs, eftersom lösningarna — en större transformator, aktiv filtrering, en annan distributionslösning — alla är billigare att planera än att eftermontera. Mätprotokollet och de figurer som ska begäras sammanfattas i den tekniska dokumentationen på nedladdningssida.