Uma breve aplicação de dispositivos de filtragem ativa em sistemas de distribuição de energia na indústria de tratamento de água

Resumo:No sistema de fornecimento e distribuição de energia da indústria de tratamento de água, equipamentos de carga como ventiladores de aeração, bombas de elevação e equipamentos de desidratação de lodo estão envolvidos, o que faz com que o motor assíncrono gere mais potência reativa e um grande número de harmônicas, resultando na redução do fator de potência do sistema, e as harmônicas causam grandes danos aos sistemas de distribuição de energia e às cargas. Nesse sentido, a indústria de tratamento de água precisa prestar mais atenção à qualidade da energia e utilizar dispositivos de filtragem ativa para filtrar as harmônicas, economizando energia e reduzindo o consumo.

Palavras-chave:sistema de fornecimento e distribuição de energia na indústria de tratamento de água; harmônicos; qualidade de energia.

1. Principais características da qualidade de energia na indústria de tratamento de água:

1.1 A indústria de tratamento de água tem se desenvolvido de forma constante e a construção de usinas tem aumentado constantemente ano após ano;

1.2 Cargas como motores e bombas d'água funcionam por muito tempo, o fator de potência é alto e a compensação de potência reativa é relativamente estável;

1.3 A principal fonte harmônica é o conversor de frequência, e o conteúdo harmônico é grande, portanto, o equipamento de filtragem ativa precisa ser configurado para controle harmônico.

2. Principais equipamentos na indústria de tratamento de água

Os principais equipamentos de alta potência em estações de tratamento de esgoto na indústria de tratamento de água incluem ventiladores de aeração, bombas de elevação, equipamentos de desidratação de lodo e equipamentos de secagem completa, bem como grandes sistemas de ar condicionado, conversores de frequência e equipamentos de ventilação. Os mecanismos de conversão de frequência e os componentes de controle desses dispositivos são cargas não lineares típicas. As harmônicas geradas fluem para o sistema de distribuição de energia e poluem a rede elétrica. Elas não apenas têm um impacto potencial nos equipamentos de compensação de potência reativa, mas também afetam a operação normal de diversos equipamentos elétricos, reduzindo a eficiência do sistema e aumentando os custos de energia.

2.1 Ventilador de aeração

A principal função do ventilador de aeração para tratamento de esgoto é fornecer oxigênio à piscina. Ele é usado principalmente na câmara de areia. O ventilador de aeração é conectado à tubulação, que por sua vez é conectada à placa de aeração na parte inferior do tanque de aeração. O ventilador de aeração sopra o gás para dentro do tanque de aeração para fornecer oxigênio suficiente para a atividade microbiana e promover reações químicas. Quando o ventilador de aeração é ligado, o fator de potência é de 0,8 e a taxa de distorção harmônica total é de quase 30%.

2.2 Bomba de elevação

A bomba de elevação é um produto de bombeamento que integra bomba, motor, carcaça e sistema de controle. Sua principal função é elevar o esgoto a uma determinada altura e fazê-lo funcionar de acordo com o método de fluxo por gravidade. Ela pode controlar o volume de água e, assim, controlar a concentração de esgoto no tanque de reação. O fator de potência da bomba de elevação é de 0,75 e a taxa de distorção harmônica é de aproximadamente 30% a 40%.

2.3 Desidratação de lodo

Os métodos de desidratação incluem principalmente secagem natural, desidratação mecânica e granulação. Os métodos de secagem natural e desidratação mecânica são adequados para lodo de esgoto. O método de granulação é adequado para coagulação e sedimentação de lodo. O equipamento de desidratação de lodo produz principalmente 5º e 7º harmônicos. O fator de potência do equipamento de desidratação de lodo é de 0,8 e a taxa de distorção harmônica é de quase 20%.

2.4 Conversor de frequência

A principal função do conversor de frequência é alterar a frequência e a amplitude da alimentação do motor CA, alterando assim o período de seu campo magnético móvel para atingir o objetivo de controlar suavemente a velocidade do motor. O uso da função de partida suave do conversor de frequência fará com que a corrente de partida parta de zero até o valor máximo. Ela não excede a corrente nominal, o que reduz o impacto na rede elétrica e os requisitos de capacidade de alimentação, além de prolongar a vida útil dos equipamentos e válvulas. Inversores de grande capacidade precisam ser usados ​​com reatores de linha de entrada para prevenir eficazmente perturbações e impactos dos componentes de potência e evitar conflitos com filtros ativos para amplificar harmônicos. O fator de potência do inversor é de 0,9 e a taxa total de distorção harmônica é de aproximadamente 30% a 50%.

3. Casos e soluções de qualidade de energia na indústria de tratamento de água

3.1 Fenômenos de acidente

Há um transformador de 2000 kVA em uma estação de tratamento de esgoto em Hunan. Há dois gabinetes de compensação de capacitores no lado de baixa tensão do transformador. A capacidade de compensação é de 1000 kVar. Os gabinetes são equipados com comutação de contatores e ambos são comutados automaticamente. Durante o processo de depuração e operação da estação de tratamento de esgoto, a equipe de serviço de operação descobriu que um conjunto de capacitores e reatores estava queimado no gabinete de compensação de capacitores da sala de distribuição de baixa tensão durante a inspeção. Outros capacitores e reatores que não foram danificados e foram colocados em operação foram encontrados durante a inspeção no local. As temperaturas estão todas entre 80 e 100 °C, e o ruído e a temperatura do transformador aumentam significativamente.

3.2 Análise das causas de danos nos gabinetes dos capacitores

1) Problemas de qualidade em componentes como capacitância e reatância. O interior do capacitor é preenchido com cola preta de baixa qualidade, que se expande e incha facilmente quando superaquecida; o material externo é feito de revestimento de ferro, adequado para cidades costeiras ou locais com alta maresia e neblina; o reator é feito de núcleo de alumínio e a interface oxida e explode em altas temperaturas;

2) Problemas de fixação de conectores elétricos durante a construção e instalação no local. Se a interface estiver solta, o ponto de conexão será aquecido localmente;

3) Problema de correspondência de parâmetros de capacitância e reatância. A taxa de reatância em série não corresponde. Por exemplo, se um capacitor com reatância de 7% para 480 V e um reator com reatância de 14% para 525 V forem usados, a incompatibilidade de capacitância e reatância levará à ressonância.

4) Fatores ambientais. À medida que a temperatura e a umidade do ambiente local mudam, os parâmetros da reatância capacitiva mudam, levando ao problema de desvio da reatância em série. A ressonância em série ocorrerá entre capacitores e reagentes, fazendo com que a corrente aumente e cause aquecimento severo;

5）. O problema de ressonância paralela entre o gabinete do capacitor e a carga acionado pela tensão harmônica faz com que a tensão do barramento aumente, causando danos ao capacitor ou à proteção contra sobretensão ou danos ao equipamento de carga.

3.3 Soluções

O ponto de teste é a saída principal do transformador. De acordo com os resultados reais da medição da qualidade de energia da estação de tratamento de esgoto, a saída principal do transformador contém 5ª, 7ª, 11ª e 13ª harmônicas. A corrente harmônica total atinge 200 A e a taxa de distorção harmônica atinge 200 A, o que representa 27,6%. A inspeção no local dos capacitores, reatâncias e outros dispositivos constatou que estavam em boas condições e as reatâncias correspondiam. A causa foi analisada como sendo um incêndio nas linhas e equipamentos causado por corrente harmônica excessiva. Por fim, por sugestão da nossa empresa, um filtro ativo de 300 A foi instalado na saída do transformador.

Atualmente, a taxa de distorção harmônica no local está estável abaixo de 10%, e o gabinete do capacitor opera de forma estável por um longo tempo.

O filtro ativo APF adota o modo de controle totalmente digital DSP + FPGA e é conectado em paralelo ao sistema para compensar harmônicos e potência reativa. Ele pode compensar totalmente do 2º ao 51º harmônico ou compensar harmônicos específicos; possui funções completas de proteção contra sobrecorrente, sobretensão CC e superaquecimento do dispositivo em ponte; possui funções de detecção e operação automáticas, monitoramento de medição e configuração de valor fixo; possui funções de dissipação de calor inteligente e regulação de velocidade contínua; possui função de expansão dinâmica, suporta conexão e desconexão e é fácil de substituir.