水処理産業における配電システムへのアクティブフィルタリング装置の簡単な応用

抽象的な：水処理業界の電力供給・配電システムには、曝気ファン、揚水ポンプ、汚泥脱水装置などの負荷設備が関与しており、非同期モータがより多くの無効電力と多数の高調波を発生させ、システムの力率を低下させるだけでなく、高調波は配電システムと負荷に大きな損害を与えます。この点で、水処理業界は電力品質にさらに注意を払い、アクティブフィルタリング装置を使用して高調波を除去し、エネルギーを節約し、消費量を削減する必要があります。

キーワード:水処理産業における電力供給および配電システム、高調波、電力品質。

1. 水処理産業における電力品質の主な特徴：

1.1 水処理産業は着実に発展しており、プラント建設は年々着実に増加しています。

1.2 モーターや水ポンプなどの負荷は長時間動作し、力率が高く、無効電力補償が比較的安定しています。

1.3 主な高調波発生源は周波数変換器であり、高調波含有量が大きいため、高調波制御用にアクティブフィルタリング装置を構成する必要があります。

2. 水処理産業の主な設備

水処理業界の下水処理場における主な高電力設備には、曝気ファン、揚水ポンプ、汚泥脱水設備、完全乾燥設備に加え、大型空調システム、周波数変換器、換気設備などが含まれます。これらの機器の周波数変換機構および制御部品は、典型的な非線形負荷です。発生する高調波は配電系統に流入し、電力網を汚染します。無効電力補償装置に潜在的な影響を与えるだけでなく、各種電気機器の正常な動作にも影響を与え、システム効率の低下や電力コストの増大につながります。

2.1 エアレーションファン

下水処理場曝気ファンの主な機能は、プールに酸素を供給することです。主に沈砂池で使用されます。曝気ファンは配管に接続され、さらに配管は曝気槽底部の曝気板に接続されます。曝気ファンはガスを吹き出し、曝気槽内に送り込み、微生物の活動に十分な酸素を供給し、化学反応を促進します。曝気ファンが作動しているとき、力率は0.8、全高調波歪み率は約30%です。

2.2 リフトポンプ

揚水ポンプは、ポンプ、モーター、ケーシング、制御システムを一体化したポンプ製品です。主な機能は、汚水を一定の高さまで揚水し、重力流方式で流すことです。水量を制御することで、反応槽内の汚水濃度を制御できます。揚水ポンプの力率は0.75、高調波歪み率は約30～40%です。

2.3 汚泥の脱水

脱水方法は主に自然乾燥、機械脱水、造粒法に分けられます。自然乾燥法と機械脱水法は下水汚泥に適しており、造粒法は汚泥の凝集沈殿に適しています。汚泥脱水装置は主に第5次と第7次の高調波を発生します。汚泥脱水装置の力率は0.8で、高調波歪み率は約20%です。

2.4 周波数変換器

周波数変換器の主な機能は、交流モーターの電源周波数と振幅を変化させ、それによってその移動磁界の周期を変化させ、モーターの速度をスムーズに制御することです。周波数変換器のソフトスタート機能を使用すると、始動電流がゼロから最大値まで始動します。定格電流を超えないため、電力網への影響と電源容量の要件が軽減され、機器とバルブの耐用年数が延長されます。大容量インバータは、入力ラインリアクトルと組み合わせて使用​​することで、電力部品の擾乱や影響を効果的に防止し、高調波を増幅するアクティブフィルタとの衝突を防ぐ必要があります。インバータの力率は0.9で、全高調波歪み率は約30％～50％です。

3. 水処理業界における電力品質の事例と解決策

3.1 事故現象

湖南省のある下水処理場には2000kVAの変圧器があり、その低圧側には2つのコンデンサ補償キャビネットがあり、補償容量は1000kVarです。キャビネットには接触器開閉器が装備されており、両方とも自動的に切り替わります。下水処理場のデバッグおよび操作プロセス中に、操作担当者は検査中に低圧配電室のコンデンサ補償キャビネット内のコンデンサとリアクトルのセットが焼損していることを発見しました。現場検査により、損傷がなく稼働していた他のコンデンサとリアクトルが見つかりました。温度はすべて80～100℃の間で、変圧器の騒音と温度が大幅に上昇しました。

3.2 コンデンサキャビネットの損傷原因の分析

1）静電容量やリアクタンスなどの部品の品質問題。コンデンサ内部は粗悪な黒色接着剤で満たされており、過熱すると膨張しやすい。外装は鉄製のケースで、沿岸都市や塩水噴霧や霧の多い地域に適している。リアクタはアルミ製のコアで作られており、界面が高温で酸化・爆発する。

2）現場での施工・設置における電気コネクタの締め付け不良。接続部が緩んでいると、接続箇所が局所的に加熱されます。

3）静電容量とリアクタンスのパラメータマッチング問題。直列リアクタンス率が一致していません。例えば、480Vでリアクタンス率が7%のコンデンサと、525Vでリアクタンス率が14%のリアクタを使用すると、静電容量とリアクタンスの不一致により共振が発生します。

4）環境要因。現場環境の温度と湿度が変化すると、容量性リアクタンスパラメータが変化し、直列リアクタンス偏差の問題が発生します。コンデンサとリアクタンスの間で直列共振が発生し、電流が増加し、深刻な発熱を引き起こします。

5）高調波電圧によって引き起こされるコンデンサキャビネットと負荷間の並列共振問題により、バス電圧が上昇し、コンデンサの損傷や過電圧保護、あるいは負荷機器の損傷が発生します。

3.3 解決策

試験点は変圧器の主コンセントです。下水処理場の電力品質の実測結果によると、変圧器の主コンセントには5次、7次、11次、13次の高調波が含まれており、総高調波電流は200Aに達し、高調波歪み率は200A 27.6%に達しました。コンデンサ、リアクタンスなどの機器を現地で検査したところ、良好な状態であり、リアクタンス率も一致していました。原因は、過剰な高調波電流による配線および機器の火災と分析されました。最終的に、当社の提案により、変圧器のコンセント側に300Aのアクティブフィルタを設置しました。

現在、現場での高調波歪み率は10％以下で安定しており、コンデンサキャビネットは長期間にわたって安定して動作しています。

APFアクティブフィルタは、DSP+FPGAフルデジタル制御モードを採用し、システム内で並列接続することで高調波および無効電力を補償します。第2次から第51次の高調波を完全に補償するか、特定の高調波のみを補償できます。ブリッジアーム過電流保護、DC過電圧保護、デバイス過熱保護などの完全な保護機能を備えています。自動検出・操作、測定監視、固定値設定などの機能を備えています。インテリジェントな放熱機能と無段階速度制御機能を備えています。ダイナミック拡張機能を備え、プラグアンドプレイに対応し、交換も容易です。