¿Por qué los bancos de condensadores de usuarios industriales frecuentemente fallan bajo la carga de convertidores de frecuencia？

En los sistemas de energía industrial, los convertidores de frecuencia, como dispositivos altamente eficientes y de ahorro de energía, se utilizan ampliamente en el control del motor. Sin embargo, sus características no lineales conducen a una mayor contaminación armónica de la red, lo que a su vez causa un fracaso prematuro de los bancos de condensadores tradicionales. En el siguiente texto, Geyue Electric, desde la perspectiva de un fabricante de equipos de compensación de potencia reactiva de bajo voltaje, analizará sistemáticamente el mecanismo profundo del daño del condensador bajo la carga de convertidores de frecuencia, revelará modos de falla clave como la resonancia armónica, la sobrecarga actual y la agencia del dieléctrico y el outions de los usuarios de los usuarios de la operación de la operación.

Características típicas de las cargas de los inversores y problemas de calidad de potencia

En las líneas de producción industrial modernas, el equipo de accionamiento de frecuencia variable (VFD) se ha convertido en la solución preferida para el control del motor debido a su excelente rendimiento de regulación de velocidad y efecto de ahorro de energía. Sin embargo, durante los procesos de rectificación e inversión del inversor, se generan corrientes no lineales, que inyectan una gran cantidad de componentes armónicos en la red eléctrica, especialmente la quinta, séptima y otros armónicos característicos. Esta contaminación armónica no solo causa la distorsión de la forma de onda de voltaje, sino que también tiene interacciones complejas con bancos de condensadores en el sistema de compensación de potencia reactiva.

Las formas de onda de modulación de ancho de pulso (PWM) generadas por el convertidor de frecuencia durante la operación contienen componentes armónicos de alta frecuencia que son hasta varias decenas de veces la frecuencia de potencia. Cuando estas corrientes de alta frecuencia pasan a través del condensador, conduce a un aumento significativo en la pérdida dieléctrica. Los datos experimentales muestran que en una red eléctrica con una distorsión armónica del 30%, el aumento de la temperatura del condensador puede ser más de 15 ° C más alto que el de un entorno de la red pura, que acelera directamente el proceso de envejecimiento del medio aislante.

Análisis del mecanismo físico del daño del condensador

La falla de los condensadores de compensación de potencia reactiva tradicional bajo la carga de convertidores de frecuencia no es causada por un solo factor, sino que es el resultado de la acción combinada de múltiples mecanismos destructivos. La resonancia armónica es uno de los factores más destructivos. Cuando la inductancia equivalente del sistema y el condensador forman un circuito resonante paralelo a una frecuencia armónica específica, la corriente local y el voltaje se amplificarán varias veces el valor normal. Un caso medido de un taller de soldadura automotriz muestra que cerca del quinto punto de resonancia armónica, la corriente en la rama del condensador alcanzó 3.2 veces el valor nominal. Esta sobrecarga continua finalmente condujo al abultamiento y al estallido del condensador.

La pérdida de polarización dieléctrica es otro mecanismo clave de falla. Los armónicos de alta frecuencia generados por el convertidor de frecuencia causarán polarización repetida del material dieléctrico dentro del condensador. Esta pérdida dieléctrica adicional se convierte en energía térmica, lo que hace que la temperatura interna del condensador aumente continuamente. La película de polipropileno, como el material dieléctrico convencional, exhibirá una degradación en el rendimiento de aislamiento a una velocidad exponencial cuando funcionan a temperaturas superiores a 85 ℃. Sin embargo, el diseño de ventilación de la mayoría de los gabinetes de condensadores industriales no tiene en cuenta este factor de calentamiento armónico adicional.

El efecto de amplificación del diseño del sistema y los defectos de selección

Los malentendidos técnicos comunes de los usuarios industriales al seleccionar bancos de condensadores han exacerbado aún más el efecto destructivo de la carga de accionamiento de frecuencia variable. Los condensadores ordinarios elegidos por la reducción de costos solo consideran las condiciones de funcionamiento en condiciones de frecuencia de potencia en sus estándares de diseño, sin adaptabilidad al entorno armónico de alta frecuencia. Por el contrario, los condensadores dedicados a anti-armónicos adoptan películas metalizadas engrosadas y enchapado de oro especial en los terminales, lo que puede aumentar la tolerancia de alta frecuencia en más de tres veces.

Las fallas de diseño del sistema de compensación tampoco deben pasarse por alto. En muchos proyectos, para ahorrar espacio, los diseñadores de circuitos paralelizaron directamente a los bancos de condensadores en la línea de bus que contenía una gran cantidad de convertidores de frecuencia sin establecer las ramas de filtrado armónicas necesarias. Aún más en serio, algunos sistemas adoptan un método de compensación fijo. Cuando la línea de producción funciona con carga de luz, la capacidad del condensador es excesiva, y la impedancia capacitiva del sistema disminuye, lo que agrava el efecto de amplificación armónica. El informe de análisis de fallas de una fábrica de productos químicos señaló que durante el cambio de noche con baja carga, la probabilidad de daño del condensador es 4.7 veces la de los períodos de producción normales.

La ruta técnica de la solución integral

Para resolver el problema del daño del condensador bajo la carga del convertidor de frecuencia, es necesario establecer un sistema de protección de varios niveles que incluya control armónico y compensación inteligente. ElFiltro de potencia activo (APF)Sirve como el dispositivo de control central, que puede detectar y contrarrestar la corriente armónica generada por el convertidor de frecuencia en tiempo real, y mantener la tasa de distorsión armónica total (THD) de la red eléctrica dentro del umbral seguro del 5%. En comparación con el filtro LC pasivo, APF tiene la característica de ajuste adaptativo y puede rastrear automáticamente los cambios en el espectro armónico del convertidor de frecuencia.

En la arquitectura de compensación de potencia reactiva, la solución combinada de condensadores anti-armónicos y reactores de ajuste dinámico tiene ventajas significativas. El reactor de sintonización coincide con precisión con los parámetros del banco del condensador, formando una característica de alta impedancia en la banda de frecuencia armónica principal, suprimiendo efectivamente la corriente resonante. Un estudio de caso de la transformación de la línea de producción de una máquina de rodadura de un molino de acero muestra que después de instalar un reactor de ajuste con una tasa de reactancia del 7%, la tasa de falla de los condensadores disminuyó de un promedio anual de 12 veces a 0 veces, y el período de retorno de la inversión fue inferior a 8 meses.

Implementaciones de ingeniería y estrategias de optimización de operaciones y mantenimiento

La transformación exitosa del sistema comienza con un diagnóstico preciso de calidad de potencia. A través del monitoreo continuo durante al menos 72 horas, se obtienen datos clave como el espectro armónico y las fluctuaciones de potencia reactiva del inversor en diferentes condiciones de funcionamiento, proporcionando una base para el diseño del esquema. Se debe prestar especial atención al valor actual real en las terminales del condensador. Debido a las limitaciones de respuesta de frecuencia de los transformadores de corriente convencionales, el impacto real de las corrientes armónicas de alta frecuencia puede subestimarse severamente.

El monitoreo de la temperatura durante la fase de operación es de suma importancia. Los puntos de medición de temperatura infrarroja se instalan en el gabinete del condensador para monitorear los cambios de temperatura de las áreas de calentamiento del núcleo en tiempo real. La práctica ha demostrado que cuando la temperatura de la carcasa del condensador excede los 65 ℃, su vida útil se acortará al 30% del valor normal. El sistema inteligente de operación y mantenimiento puede predecir los riesgos de resonancia potenciales mediante el análisis de tendencias de temperatura por adelantado.

La esencia del daño frecuente de los condensadores causados por la carga de convertidores de frecuencia radica en la crisis de incompatibilidad entre el sistema tradicional de compensación de potencia reactiva y las cargas electrónicas de potencia. El amable recordatorio de Geyue Electric: resolver este problema requiere no solo actualizaciones de hardware, como condensadores anti-armónicos, sino también el establecimiento de un sistema técnico completo que incluye control armónico, compensación dinámica y monitoreo inteligente. Geyue Electric sugiere que los usuarios industriales, en proyectos nuevos o de renovación, deberían elegir preferentemente proveedores de soluciones completos como nuestra empresa que tengan capacidades de inmunidad armónica, para aumentar realmente la vida útil del diseño del sistema de compensación de energía reactiva a más de 10 años, proporcionando una garantía confiable para la producción continua. Si tiene un proyecto del sistema de compensación de energía reactiva industrial en construcción, consulte a nuestro ingeniero eléctrico principal enviando un correo electrónico ainfo@gyele.com.cn.