Une brève application des dispositifs de filtrage actifs dans les systèmes de distribution d'énergie dans l'industrie du traitement de l'eau

Abstrait:Dans le système d'alimentation et de distribution d'énergie de l'industrie du traitement de l'eau, des équipements de charge tels que des ventilateurs d'aération, des pompes de relevage et des équipements de déshydratation des boues sont impliqués. Le moteur asynchrone génère alors une puissance réactive accrue et un grand nombre d'harmoniques, ce qui entraîne une diminution du facteur de puissance du système. Ces harmoniques sont très néfastes pour les systèmes de distribution d'énergie et les charges. À cet égard, l'industrie du traitement de l'eau doit accorder une plus grande attention à la qualité de l'énergie et utiliser des dispositifs de filtrage actif pour éliminer les harmoniques, permettant ainsi d'économiser l'énergie et de réduire la consommation.

Mots-clés:système d'alimentation et de distribution d'énergie dans l'industrie du traitement de l'eau ; harmoniques ; qualité de l'énergie.

1. Principales caractéristiques de la qualité de l’énergie dans l’industrie du traitement de l’eau :

1.1 L’industrie du traitement de l’eau s’est développée régulièrement et la construction d’usines a augmenté régulièrement d’année en année ;

1.2 Les charges telles que les moteurs et les pompes à eau fonctionnent pendant une longue période, le facteur de puissance est élevé et la compensation de puissance réactive est relativement stable ;

1.3 La principale source harmonique est le convertisseur de fréquence et le contenu harmonique est important. Un équipement de filtrage actif doit donc être configuré pour le contrôle des harmoniques.

2. Principaux équipements dans l'industrie du traitement de l'eau

Les principaux équipements de forte puissance des stations d'épuration du secteur de l'eau comprennent les ventilateurs d'aération, les pompes de relevage, les équipements de déshydratation des boues et de séchage complet, ainsi que les grands systèmes de climatisation, les convertisseurs de fréquence et les équipements de ventilation. Les mécanismes de conversion de fréquence et les composants de contrôle de ces appareils constituent des charges non linéaires typiques. Les harmoniques générées s'infiltrent dans le réseau de distribution d'électricité et polluent le réseau électrique. Elles peuvent non seulement impacter les équipements de compensation de puissance réactive, mais aussi perturber le fonctionnement normal de divers équipements électriques, réduisant ainsi l'efficacité du système et augmentant les coûts énergétiques.

2.1 Ventilateur d'aération

La fonction principale du ventilateur d'aération pour le traitement des eaux usées est d'oxygéner le bassin. Il est principalement utilisé dans le dessableur. Le ventilateur est raccordé à la tuyauterie, puis à la plaque d'aération située au fond du bassin. Le ventilateur souffle le gaz qui pénètre dans le bassin afin d'apporter suffisamment d'oxygène pour les activités microbiennes et favoriser les réactions chimiques. Lorsque le ventilateur est en marche, le facteur de puissance est de 0,8 et le taux de distorsion harmonique total est proche de 30 %.

2.2 Pompe de relevage

La pompe de relevage est un produit intégrant une pompe, un moteur, un carter et un système de commande. Sa fonction principale est de soulever les eaux usées à une certaine hauteur et de les faire circuler selon le principe de l'écoulement gravitaire. Elle permet de contrôler le volume d'eau et donc la concentration des eaux usées dans le réservoir de réaction. Le facteur de puissance de la pompe de relevage est de 0,75 et le taux de distorsion harmonique est proche de 30 à 40 %.

2.3 Déshydratation des boues

Les méthodes de déshydratation comprennent principalement le séchage naturel, la déshydratation mécanique et la granulation. Le séchage naturel et la déshydratation mécanique sont adaptés aux boues d'épuration. La granulation est adaptée à la coagulation et à la sédimentation des boues. Les équipements de déshydratation des boues produisent principalement des harmoniques de 5e et 7e harmoniques. Le facteur de puissance des équipements de déshydratation des boues est de 0,8 et le taux de distorsion harmonique est proche de 20 %.

2.4 Convertisseur de fréquence

La fonction principale du convertisseur de fréquence est de modifier la fréquence et l'amplitude de l'alimentation du moteur à courant alternatif, modifiant ainsi la période de son champ magnétique mobile afin de réguler en douceur la vitesse du moteur. Le démarrage progressif du convertisseur de fréquence permet de faire passer le courant de démarrage de zéro à sa valeur maximale. Il ne dépasse pas le courant nominal, ce qui réduit l'impact sur le réseau électrique et les besoins en capacité d'alimentation, et prolonge la durée de vie des équipements et des vannes. L'utilisation d'onduleurs de grande capacité avec des réacteurs de ligne d'alimentation permet de prévenir efficacement les perturbations et l'impact sur les composants de puissance, ainsi que les conflits avec les filtres actifs amplifiant les harmoniques. Le facteur de puissance de l'onduleur est de 0,9 et le taux de distorsion harmonique total est proche de 30 à 50 %.

3. Cas et solutions de qualité de l'énergie dans l'industrie du traitement de l'eau

3.1 Phénomènes accidentels

Une station d'épuration du Hunan abrite un transformateur de 2 000 kVA. Deux armoires de compensation de condensateurs sont situées côté basse tension. Leur capacité de compensation est de 1 000 kVar. Ces armoires sont équipées d'un contacteur de commutation et sont toutes deux à commutation automatique. Lors de la mise au point et de l'exploitation de la station d'épuration, le personnel d'exploitation a constaté la combustion d'un ensemble de condensateurs et de réacteurs dans l'armoire de compensation de condensateurs du local de distribution basse tension. D'autres condensateurs et réacteurs, non endommagés et mis en service, ont été découverts lors d'une inspection sur site. Les températures se situent entre 80 et 100 °C, et le bruit et la température du transformateur augmentent considérablement.

3.2 Analyse des causes de dommages aux armoires de condensateurs

1) Problèmes de qualité des composants tels que la capacité et la réactance. L'intérieur du condensateur est rempli d'une colle noire de mauvaise qualité, qui se dilate et se gonfle facilement en cas de surchauffe ; le matériau externe est en fer, ce qui est adapté aux villes côtières ou aux zones fortement exposées aux embruns salins et au brouillard ; le réacteur est en aluminium, et l'interface est oxydée et explose à haute température.

2) Problèmes de fixation des connecteurs électriques lors de la construction et de l'installation sur site. Si l'interface est desserrée, le point de connexion sera localement chauffé ;

3) Problème de correspondance des paramètres de capacité et de réactance. Les taux de réactance série ne correspondent pas. Par exemple, si un condensateur avec un taux de réactance de 7 % pour 480 V et une réactance avec un taux de réactance de 14 % pour 525 V sont utilisés, la non-correspondance entre capacité et réactance entraînera une résonance.

4) Facteurs environnementaux. Lorsque la température et l'humidité du site varient, les paramètres de la réactance capacitive changent, ce qui entraîne un problème de déviation de la réactance série. Une résonance série se produit entre les condensateurs et les réactifs, augmentant le courant et provoquant un échauffement important.

5）. Le problème de résonance parallèle entre l'armoire du condensateur et la charge déclenché par la tension harmonique provoque une augmentation de la tension du bus, provoquant des dommages au condensateur ou une protection contre les surtensions ou des dommages à l'équipement de charge.

3.3 Solutions

Le point de test est la sortie principale du transformateur. D'après les résultats des mesures de qualité de l'énergie de la station d'épuration, la sortie principale du transformateur contient des harmoniques de 5e, 7e, 11e et 13e intensité. Le courant harmonique total atteint 200 A et le taux de distorsion harmonique est de 27,6 %. L'inspection sur site des condensateurs, des réactances et des autres dispositifs a révélé leur bon état et la conformité des taux de réactance. La cause a été identifiée comme étant un incendie des lignes et des équipements causé par un courant harmonique excessif. Finalement, à la suggestion de notre entreprise, un filtre actif de 300 A a été installé côté sortie du transformateur.

À l'heure actuelle, le taux de distorsion harmonique sur site est stable en dessous de 10 % et l'armoire à condensateurs fonctionne de manière stable pendant une longue période.

Le filtre actif APF adopte un mode de contrôle entièrement numérique DSP+FPGA et est connecté en parallèle au système pour compenser les harmoniques et la puissance réactive. Il peut compenser intégralement les harmoniques 2 à 51 ou des harmoniques spécifiques ; il dispose d'une protection complète contre les surintensités, les surtensions CC et les surchauffes du pont ; il offre des fonctions de détection et de fonctionnement automatiques, de surveillance des mesures et de réglage de valeurs fixes ; il dispose également de fonctions de dissipation thermique intelligente et de régulation de vitesse continue ; il est doté d'une fonction d'expansion dynamique, prend en charge le branchement et le débranchement et est facile à remplacer.