Surchauffe des batteries de condensateurs après l'ajout de VFD

La surchauffe du banc de condensateurs après l'ajout de variateurs de fréquence est un symptôme de la qualité de l'alimentation, et non un défaut des condensateurs. Les redresseurs des variateurs de fréquence injectent du courant harmonique ; le banc de condensateurs offre un chemin à faible impédance à ces fréquences.résonance parallèleEntre la banque de condensateurs et l'alimentation, ce courant peut s'amplifier jusqu'à ce que les fusibles sautent, que les contacteurs vibrent et que les condensateurs gonflent. Une banque de condensateurs fournitpuissance réactivepour corriger le facteur de puissance ; il ne supprime pas les harmoniques, de sorte qu'une puissance réactive (kvar) adaptée aux charges linéaires peut devenir non fiable une fois que la composition de la charge change.

À quoi ressemble le symptôme sur le site

L'armoire de compensation a fonctionné sans problème pendant des années. Puis, une nouvelle ligne d'entraînement ou un lot de pompes et de ventilateurs à variateur de fréquence a été mis en service, et en quelques semaines, les opérateurs ont signalé des fusibles qui sautaient sans panne apparente, des contacteurs qui bourdonnaient ou se bloquaient par soudure, et des condensateurs gonflés. L'équipement n'avait pas changé ;

l'environnement électrique, oui.

Cause : Courant harmonique provenant des redresseurs VFD

Un variateur de fréquence convertit le courant alternatif entrant en courant continu, puis génère un courant alternatif de sortie contrôlé. Dans une topologie moderne à trois niveaux, l'étage de sortie commute des IGBT à une fréquence de commutation de l'ordre du kilohertz, produisant des fronts de tension rapides (dv/dt élevé) que l'isolation du moteur et les filtres de sortie doivent supporter. Le redresseur d'entrée est différent : il ne consomme du courant que lorsque le bus CC a besoin d'être chargé ; le courant de ligne est donc une succession d'impulsions, et non une onde sinusoïdale pure.

Pour un redresseur à six impulsions, les harmoniques caractéristiques sont d'ordre 6k ± 1, les harmoniques 5, 7, 11 et 13 étant prédominantes. À 50 Hz, l'harmonique 5 se situe à 250 Hz et l'harmonique 7 à 300 Hz. Un seul petit variateur peut être sans conséquence, mais une douzaine de variateurs connectés au même bus basse tension peuvent engendrer une distorsion supérieure à l'objectif de conception de 5 % au point de couplage commun.

Pourquoi les condensateurs attirent-ils le courant harmonique ?

L'impédance d'un condensateur diminue lorsque la fréquence augmente : à la 5e harmonique, elle est environ cinq fois inférieure à sa valeur à 50 Hz, et à la 7e, environ sept fois inférieure. Le courant harmonique emprunte donc préférentiellement le condensateur plutôt que le reste du réseau. Le courant efficace (RMS) des condensateurs du banc est la somme vectorielle du courant fondamental et de chaque harmonique, et les pertes augmentent avec le carré de ce courant. C'est pourquoi un banc de condensateurs correctement dimensionné en kvar peut surchauffer.

Conséquence : la résonance parallèle amplifie tout.

Chaque banc de condensateurs forme un circuit résonant parallèle avec le transformateur et l'inductance d'alimentation ; l'ordre de résonance peut être filtré par le rapport entre la puissance de court-circuit et la capacité nominale du condensateur (hr ≈ √(Ssc / Qc)). Si cet ordre est proche de l'harmonique 5 ou 7 injectée, l'impédance à cette fréquence devient très élevée et le banc de condensateurs génère un courant harmonique important au lieu du courant d'alimentation.

Il en résulte des fusibles grillés à répétition, des contacteurs soudés, des condensateurs gonflés et des déclenchements intempestifs du disjoncteur. Le remplacement des composants rétablit brièvement le fonctionnement, puis la panne réapparaît car les pièces de rechange n'ont pas résolu le problème à la source.

Mesures : Que faut-il noter avant de remplacer quoi que ce soit ?

La sélection commence par les données. Un analyseur de qualité de l'énergie doit enregistrer le spectre harmonique sur un cycle de production complet, et le point de mesure est important : la distorsion doit être évaluée au point de mesure.PCC(point de raccordement commun) et au niveau de la batterie de condensateurs, avec des transformateurs de courant (TC) placés de manière à ce que les courants de charge et de batterie soient visibles. Enregistrer la distorsion de tension et de courant (THDu etTHDi), les courants harmoniques de rang 5 et 7, le courant RMS du condensateur, la puissance réactive du banc (kvar), le désaccord du réacteur, la puissance nominale du transformateur et la température de l'armoire sous 45 °C en pleine charge. VoirComment lire un rapport sur la qualité de l'énergie.

Solutions possibles : des bancs de filtres désaccordés aux filtres hybrides

Les options vont d'un banc de réacteurs désaccordé à un filtre harmonique actif (AHF), un générateur de variables statiques (SVG), ou un système hybride combinant les deux.

Batteries de condensateurs désaccordées

Un banc de condensateurs désaccordé ajoute une inductance en série à chaque étage de condensateur, décalant ainsi la fréquence de résonance en dessous de l'harmonique la plus basse à éviter. Les harmoniques 5 et 7 ne sont donc plus amplifiées. Des facteurs de désaccord courants de 5,67 %, 7 % et 12,5 % déplacent l'ordre d'accord vers approximativement 4,2, 3,8 et 2,8 (soit environ 210 Hz, 189 Hz et 141 Hz à 50 Hz). L'inductance doit avoir une capacité adaptée à celle du condensateur, sous peine de générer de la chaleur.

Filtre harmonique actif (AHF)

Unfiltre harmonique actifCe dispositif mesure le courant de charge à l'aide de transformateurs de courant externes, calcule en temps réel les composantes harmoniques et injecte un courant égal et opposé pour les annuler, réduisant ainsi le taux de distorsion harmonique (THDi) au niveau du transformateur de courant jusqu'à une valeur cible. Il ne crée pas de résonance avec le réseau électrique, mais son dimensionnement doit être adapté au courant harmonique à annuler, et ses transformateurs de courant doivent être positionnés du bon côté du point de séparation entre les courants harmoniques et les courants de banc.

Générateur statique de puissance réactive (SVG)

UNgénérateur de variables statiquesIl injecte ou absorbe du courant réactif en continu, corrigeant le facteur de puissance sans à-coups et assurant une stabilité optimale dans un réseau riche en harmoniques, contrairement à un banc de diodes classique. Il s'adapte rapidement aux variations de charge et peut supporter la tension, mais sa fonction principale est la gestion de la puissance réactive, et non l'annulation des harmoniques.

Systèmes hybrides

UNcompensation hybride de la puissance réactiveLe système utilise une batterie de condensateurs contrôlée pour la base réactive stable et un AHF ou SVG pour la partie rapide ou harmonique, ce qui représente souvent le coût global le plus bas lorsqu'une forte demande en kvar et un courant harmonique important coexistent.

Sélection : Quelle solution convient à quelle condition ?

Adaptez l'appareil à la mesure. Une seule lecture d'analyseur est rarement suffisante ; enregistrez donc un cycle de production complet et notez le point de fonctionnement le plus défavorable. Si une usine possède déjà une batterie de condensateurs et que de nouveaux variateurs de fréquence sont prévus, revoyez la conception de la compensation avant la mise en service des variateurs, et non après la première défaillance d'un fusible.

Quand une banque désaccordée est suffisante

Si le banc est principalement nécessaire pour la puissance réactive fondamentale, que le THDi est modéré et que l'ordre de résonance mesuré est suffisamment éloigné du 5e et du 7e ordre, le remplacement des condensateurs standard par un banc désaccordé et des réacteurs adaptés constitue la réparation la plus simple.

Lorsque vous avez besoin d'un AHF ou d'un SVG

Si le courant harmonique doit être éliminé pour respecter une limite de distorsion, un convertisseur AHF est la solution directe. Si le besoin principal est une puissance réactive rapide et continue, un convertisseur SVG est plus adapté, un convertisseur AHF étant ajouté lorsque les limites harmoniques s'appliquent. Pour l'adaptation de la capacité réactive à la charge, voirDimensionnement SVG pour la correction du facteur de puissance.

Limites : Ce que l'indemnisation ne peut pas réparer

• Un banc de condensateurs, désaccordé ou non, améliore la puissance réactive ; il ne filtre pas les harmoniques.
• Un transformateur de courant alternatif (AHF) ne peut pas éliminer plus de courant harmonique que sa capacité nominale, et un mauvais positionnement du transformateur de courant peut l'amener à compenser un courant incorrect.
• Le désaccordage ne fait que déplacer le point de résonance ; il réduit le risque, mais n'élimine pas la distorsion.
• Les filtres obstrués, les ventilateurs défectueux et les bornes desserrées continuent de générer de la chaleur, et les économies ne peuvent être garanties avant la mesure.

Foire aux questions

Puis-je continuer à utiliser le banc de condensateurs après l'ajout des variateurs de fréquence ?

Oui, à condition que le banc de condensateurs soit adapté au nouvel environnement harmonique. Les condensateurs standard d'un système riche en harmoniques doivent être vérifiés, et la plupart des centrales utilisant fréquemment des variateurs de fréquence optent soit pour un banc de condensateurs désaccordé, soit pour un filtre actif anti-harmoniques (AHF) afin d'éliminer le courant harmonique.

Comment puis-je déterminer si la résonance est le problème ?

Mesurez le spectre harmonique et le courant du condensateur. Si le courant harmonique de rang 5 ou 7 dans le banc de condensateurs est anormalement élevé, si les fusibles grillent de manière répétée sans défaut apparent, ou si l'ordre de résonance est proche d'une harmonique dominante, la résonance est la cause probable.

Dois-je choisir un banc AHF ou un banc désaccordé ?

Choisissez un banc de transformateurs désaccordé lorsque le besoin principal est la puissance réactive et que la distorsion est modérée. Choisissez un transformateur AHF lorsqu'il faut respecter une limite harmonique et réduire la distorsion. De nombreux projets industriels utilisent les deux.

À quels frais d'entretien et à quel retour sur investissement puis-je m'attendre ?

Les batteries désaccordées nécessitent des contrôles périodiques des condensateurs, des réacteurs, des contacteurs et de la ventilation ; les unités AHF et SVG requièrent principalement un flux d'air propre et un câblage de transformateur de courant correct. Le retour sur investissement dépend du tarif, du profil de charge et de la réduction des pertes ; il convient donc de le calculer à partir des données mesurées.

YT Electric fournit des systèmes de compensation de puissance réactive AHF, SVG et hybrides pour les installations industrielles, les centres de données et les projets EPC. Transmettez vos données de mesure à notre équipe d'ingénieurs afin de confirmer la configuration appropriée.

Conclusion

La surchauffe d'une batterie de condensateurs après l'ajout de variateurs de fréquence indique une modification de l'environnement harmonique, et non une preuve de la mauvaise qualité des condensateurs. Mesurez le THDi, le THDu, le courant RMS des condensateurs et l'ordre de résonance au point de couplage commun (PCC), puis choisissez entre une batterie désaccordée, un AHF, un SVG ou un système hybride. Considérez la surchauffe comme un problème de qualité de l'alimentation : la réparation sera alors durable.