Tại sao các ngân hàng tụ điện của người dùng công nghiệp thường xuyên thất bại dưới tải của các bộ chuyển đổi tần số？

Trong các hệ thống năng lượng công nghiệp, các bộ chuyển đổi tần số, như các thiết bị tiết kiệm năng lượng và hiệu quả cao, được sử dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ. Tuy nhiên, các đặc điểm phi tuyến tính của chúng dẫn đến tăng ô nhiễm hài hòa lưới, từ đó gây ra sự thất bại sớm của các ngân hàng tụ điện truyền thống. Trong văn bản sau, Geyue Electric sẽ, từ quan điểm của một nhà sản xuất thiết bị bù công suất phản ứng điện áp thấp, phân tích một cách có hệ thống cơ chế sâu của thiệt hại tụ điện dưới tải trọng của các bộ chuyển đổi tần số, cho thấy các chế độ thất bại chính như sự thay đổi hoạt động và sự cố định.

Đặc điểm điển hình của tải biến tần và các vấn đề về chất lượng năng lượng

Trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện đại, Thiết bị truyền động tần số thay đổi (VFD) đã trở thành giải pháp ưa thích để điều khiển động cơ do hiệu suất điều chỉnh tốc độ tuyệt vời và hiệu ứng tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, trong quá trình chỉnh lưu và đảo ngược của biến tần, dòng điện phi tuyến tính được tạo ra, tiêm một số lượng lớn các thành phần hài hòa vào lưới điện, đặc biệt là các sóng hài đặc thứ 5, 7 và khác. Ô nhiễm hài hòa này không chỉ gây ra sự biến dạng của dạng sóng điện áp mà còn có các tương tác phức tạp với các ngân hàng tụ điện trong hệ thống bù năng lượng phản ứng.

Các dạng sóng điều chế độ rộng xung (PWM) được tạo bởi bộ chuyển đổi tần số trong quá trình hoạt động chứa các thành phần điều hòa tần số cao lên tới nhiều chục lần tần số công suất. Khi các dòng tần số cao này đi qua tụ điện, nó dẫn đến sự gia tăng đáng kể mất điện môi. Dữ liệu thử nghiệm cho thấy rằng trong một lưới điện có biến dạng hài hòa 30%, sự gia tăng nhiệt độ của tụ điện có thể cao hơn 15 ° C so với môi trường lưới tinh khiết, trực tiếp tăng tốc quá trình lão hóa của môi trường cách điện.

Phân tích cơ chế vật lý của thiệt hại tụ điện

Sự thất bại của các tụ bù công suất phản ứng truyền thống dưới tải trọng của các bộ chuyển đổi tần số không phải là do một yếu tố duy nhất, mà là kết quả của hành động kết hợp của nhiều cơ chế phá hủy. Cộng hưởng hài hòa là một trong những yếu tố phá hoại nhất. Khi độ tự cảm tương đương của hệ thống và tụ điện tạo thành một mạch cộng hưởng song song ở tần số sóng hài cụ thể, dòng điện cục bộ và điện áp sẽ được khuếch đại theo giá trị bình thường nhiều lần. Một trường hợp đo được từ một hội thảo hàn ô tô cho thấy gần điểm cộng hưởng điều hòa thứ 5, dòng điện trong nhánh tụ điện đạt 3,2 lần giá trị định mức. Quá tải liên tục này cuối cùng đã dẫn đến sự phình ra và vỡ của tụ điện.

Mất phân cực điện môi là một cơ chế thất bại quan trọng khác. Các sóng hài tần số cao được tạo ra bởi bộ chuyển đổi tần số sẽ gây ra sự phân cực lặp đi lặp lại của vật liệu điện môi bên trong tụ điện. Mất điện môi bổ sung này được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt, khiến nhiệt độ bên trong của tụ điện liên tục tăng. Phim polypropylen, với tư cách là vật liệu điện môi chính, sẽ thể hiện sự suy giảm hiệu suất cách nhiệt với tốc độ theo cấp số nhân khi hoạt động ở nhiệt độ trên 85. Tuy nhiên, thiết kế thông gió của hầu hết các tủ tụ công nghiệp không tính đến yếu tố sưởi ấm bổ sung này.

Hiệu ứng khuếch đại của các khuyết tật thiết kế và lựa chọn hệ thống

Những hiểu lầm kỹ thuật phổ biến của người dùng công nghiệp khi chọn các ngân hàng tụ điện đã làm trầm trọng thêm hiệu ứng phá hủy của tải ổ đĩa tần số biến. Các tụ điện thông thường được chọn vì mục đích giảm chi phí chỉ xem xét các điều kiện hoạt động trong các điều kiện tần số năng lượng trong các tiêu chuẩn thiết kế của chúng, thiếu khả năng thích ứng với môi trường điều hòa tần số cao. Ngược lại, các tụ điện chuyên dụng chống hài hòa áp dụng các màng kim loại dày và mạ vàng đặc biệt trên các thiết bị đầu cuối, có thể làm tăng khả năng dung nạp tần số cao hơn ba lần.

Các lỗ hổng thiết kế của hệ thống bồi thường cũng không nên bị bỏ qua. Trong nhiều dự án, để tiết kiệm không gian, các nhà thiết kế mạch trực tiếp song song với các ngân hàng tụ điện trên tuyến xe buýt chứa một số lượng lớn các bộ chuyển đổi tần số mà không cần thiết lập các nhánh lọc điều hòa cần thiết. Thậm chí nghiêm túc hơn, một số hệ thống áp dụng một phương thức bồi thường cố định. Khi dây chuyền sản xuất hoạt động ở tải trọng ánh sáng, công suất tụ điện quá mức và trở kháng điện dung của hệ thống giảm, thay vào đó, làm nặng thêm hiệu ứng khuếch đại sóng hài. Báo cáo phân tích lỗi của một nhà máy hóa học chỉ ra rằng trong ca đêm với tải trọng thấp, xác suất thiệt hại tụ điện gấp 4,7 lần so với thời gian sản xuất bình thường.

Con đường kỹ thuật của giải pháp toàn diện

Để giải quyết vấn đề thiệt hại tụ điện dưới tải của bộ chuyển đổi tần số, một hệ thống bảo vệ đa cấp bao gồm kiểm soát hài hòa và bù thông minh cần được thiết lập. CácBộ lọc năng lượng hoạt động (APF)đóng vai trò là thiết bị điều khiển lõi, có thể phát hiện và chống lại dòng điều hòa được tạo ra bởi bộ chuyển đổi tần số trong thời gian thực và giữ cho tổng tỷ lệ biến dạng điều hòa (THD) của lưới điện trong ngưỡng an toàn là 5%. So với bộ lọc LC thụ động, APF có đặc tính điều chỉnh thích ứng và có thể tự động theo dõi các thay đổi trong phổ sóng hài của bộ chuyển đổi tần số.

Trong kiến trúc bù công suất phản ứng, dung dịch kết hợp của các tụ điện chống hài và lò phản ứng điều chỉnh động có những ưu điểm đáng kể. Lò phản ứng điều chỉnh phù hợp chính xác với các tham số của ngân hàng tụ điện, tạo thành một đặc tính kháng cáo cao trong dải tần số hài chính, triệt tiêu một cách hiệu quả dòng điện cộng hưởng. Một nghiên cứu trường hợp về việc chuyển đổi dây chuyền sản xuất máy lăn của nhà máy thép cho thấy sau khi lắp đặt lò phản ứng điều chỉnh với tỷ lệ phản ứng 7%, tỷ lệ thất bại của các tụ điện giảm từ mức trung bình hàng năm là 12 lần xuống 0 lần và thời gian hoàn vốn đầu tư là dưới 8 tháng.

Thực hiện kỹ thuật và chiến lược tối ưu hóa vận hành & bảo trì

Việc chuyển đổi hệ thống thành công bắt đầu với chẩn đoán chất lượng công suất chính xác. Thông qua việc theo dõi liên tục trong ít nhất 72 giờ, dữ liệu chính như phổ sóng hài và dao động công suất phản ứng của biến tần trong các điều kiện hoạt động khác nhau, cung cấp cơ sở cho thiết kế sơ đồ. Cần chú ý đặc biệt đến giá trị hiện tại thực tế tại các thiết bị đầu cuối tụ điện. Do giới hạn đáp ứng tần số của các máy biến áp hiện tại thông thường, tác động thực tế của dòng sóng hài tần số cao có thể bị đánh giá thấp nghiêm trọng.

Giám sát nhiệt độ trong giai đoạn hoạt động là vô cùng quan trọng. Điểm đo nhiệt độ hồng ngoại được lắp đặt trong tủ tụ điện để theo dõi sự thay đổi nhiệt độ của các khu vực sưởi ấm lõi trong thời gian thực. Thực hành đã chỉ ra rằng khi nhiệt độ của vỏ tụ điện vượt quá 65, tuổi thọ dịch vụ của nó sẽ được rút ngắn xuống còn 30% giá trị bình thường. Hệ thống vận hành và bảo trì thông minh có thể dự đoán rủi ro cộng hưởng tiềm năng bằng cách phân tích xu hướng nhiệt độ trước.

Bản chất của thiệt hại thường xuyên của các tụ điện gây ra bởi tải trọng của các bộ chuyển đổi tần số nằm ở cuộc khủng hoảng không tương thích giữa hệ thống bù năng lượng phản ứng truyền thống và tải điện tử công suất. Geyue Electric từ loại nhắc nhở: Giải quyết vấn đề này không chỉ đòi hỏi các nâng cấp phần cứng như các tụ điện chống hài, mà còn thiết lập một hệ thống kỹ thuật hoàn chỉnh bao gồm kiểm soát điều hòa, bù động và giám sát thông minh. Geyue Electric gợi ý rằng người dùng công nghiệp, trong các dự án mới hoặc cải tạo, nên chọn các nhà cung cấp giải pháp đầy đủ như công ty của chúng tôi có khả năng miễn dịch hài hòa, để thực sự tăng tuổi thọ thiết kế của hệ thống bù năng lượng phản ứng lên hơn 10 năm, cung cấp bảo đảm đáng tin cậy cho sản xuất liên tục. Nếu bạn tình cờ có một dự án hệ thống bồi thường năng lượng phản ứng công nghiệp đang được xây dựng, vui lòng tham khảo kỹ sư điện trưởng của chúng tôi bằng cách gửi email đếninfo@gyele.com.cn.