Überhitzung von Kondensatorbänken nach dem Hinzufügen von VFDs

Die Überhitzung der Kondensatorbank nach dem Hinzufügen von Frequenzumrichtern ist ein Symptom für die Netzqualität und kein Kondensatordefekt. Die Gleichrichter der Frequenzumrichter speisen Oberwellenströme ein; die Kondensatorbank bietet bei diesen Frequenzen einen niederohmigen Pfad.ParallelresonanzZwischen der Kondensatorbank und der Stromversorgung kann sich der Strom so weit verstärken, dass Sicherungen auslösen, Schütze rattern und Kondensatoren sich aufblähen. Eine Kondensatorbank versorgt die Stromversorgung.Blindleistungzur Korrektur des Leistungsfaktors; Oberschwingungen werden dabei nicht entfernt, sodass eine kvar-Nennleistung, die für lineare Lasten geeignet war, unzuverlässig werden kann, sobald sich der Lastmix ändert.

Wie das Symptom vor Ort aussieht

Der Kompensationsschrank lief jahrelang problemlos. Dann wurde eine neue Antriebslinie oder eine Charge von frequenzumrichtergesteuerten Pumpen und Lüftern in Betrieb genommen, und innerhalb weniger Wochen berichteten die Bediener von durchgebrannten Sicherungen ohne erkennbaren Fehler, brummenden oder verschweißten Schützen und aufgeblähten Kondensatorgehäusen. Die Ausrüstung wurde nicht verändert;

Die elektrische Umgebung tat es.

Ursache: Oberwellenstrom von Frequenzumrichtergleichrichtern

Ein Frequenzumrichter wandelt eingehenden Wechselstrom in Gleichstrom um und erzeugt anschließend einen geregelten Wechselstromausgang. In einer modernen 3-stufigen Topologie schaltet die Ausgangsstufe IGBTs mit einer Schaltfrequenz im niedrigen Kilohertzbereich. Dies führt zu schnellen Spannungsflanken (hohe Spannungsänderungsgeschwindigkeit dv/dt), die von der Motorisolierung und den Ausgangsfiltern abgefangen werden müssen. Der Eingangsgleichrichter arbeitet anders: Er zieht nur dann Strom, wenn der Zwischenkreis geladen werden muss. Daher besteht der Netzstrom aus einer Impulsfolge und nicht aus einer sauberen Sinuswelle.

Bei einem Sechspuls-Gleichrichter liegen die charakteristischen Harmonischen bei 6k ± 1 Ordnung, wobei die 5., 7., 11. und 13. Harmonische dominieren. Bei 50 Hz liegt die 5. Harmonische bei 250 Hz und die 7. bei 300 Hz. Ein einzelner kleiner Antrieb mag unproblematisch sein, doch ein Dutzend Antriebe am selben Niederspannungsbus können die Verzerrung am Netzanschlusspunkt über den Zielwert von 5 % treiben.

Warum Kondensatoren Oberwellenströme anziehen

Die Impedanz eines Kondensators sinkt mit steigender Frequenz: Bei der 5. Harmonischen beträgt sie etwa ein Fünftel ihres Wertes bei 50 Hz, bei der 7. etwa ein Siebtel. Daher fließt der Oberwellenstrom bevorzugt über den Kondensator und nicht über den Rest des Netzes. Der Effektivwert des Kondensatorstroms der Kondensatorbank ist die Vektorsumme des Grundstroms und aller Oberwellenströme, und die Verluste steigen quadratisch mit diesem Strom. Aus diesem Grund kann eine in kvar korrekte Kondensatorbank dennoch überhitzen.

Folge: Parallele Resonanz verstärkt alles

Jede Kondensatorbank bildet mit dem Transformator und der Versorgungsinduktivität einen Parallelschwingkreis. Die Resonanzordnung lässt sich über das Verhältnis von Kurzschlussleistung zu Kondensatornennleistung (hr ≈ √(Ssc / Qc)) abschirmen. Liegt diese Ordnung nahe an der eingespeisten 5. oder 7. Harmonischen, wird die Impedanz bei dieser Frequenz sehr hoch, und die Kondensatorbank leitet einen hohen Oberwellenstrom anstelle des Versorgungsstroms.

Die Folgen sind wiederholte Sicherungsausfälle, verschweißte Schütze, aufgeblähte Kondensatoren und Fehlauslösungen von Schutzschaltern. Der Austausch der Geräte behebt den Fehler zwar kurzzeitig, führt aber dann erneut zum Ausfall, da die Ersatzteile die eigentliche Ursache nicht behoben haben.

Messung: Was Sie dokumentieren sollten, bevor Sie etwas austauschen

Die Auswahl beginnt mit den Daten. Ein Netzqualitätsanalysator sollte das Oberwellenspektrum über einen vollständigen Produktionszyklus aufzeichnen, und der Messpunkt ist entscheidend: Verzerrungen müssen am Messpunkt bewertet werden.PCC(gemeinsamer Kopplungspunkt) und an der Kondensatorbank, wobei Stromwandler so angeordnet sind, dass sowohl der Laststrom als auch der Bankstrom sichtbar sind. Spannungs- und Stromverzerrung (THDu und THDu) aufzeichnen.THDi), die Ströme der 5. und 7. Harmonischen, der Effektivwertstrom des Kondensators, die Blindleistung der Kondensatorbank, die Drosselverstimmung, die Nennleistung des Transformators und die Gehäusetemperatur unter Volllastbedingungen von 45 °C. SieheWie man einen Stromqualitätsbericht liestDie

Lösungsoptionen: Von leistungsgeminderten Filterbänken bis hin zu Hybridfiltern

Die Optionen reichen von einer verstimmten Reaktorbank bis hin zu einem aktiven Oberwellenfilter (AHF), ein statischer Variablengenerator (SVG), oder ein Hybridsystem, das beides kombiniert.

Verstimmte Kondensatorbänke

Eine verstimmte Kondensatorbank fügt jedem Kondensatorschritt eine Seriendrossel hinzu. Dadurch wird die Resonanzfrequenz unter die niedrigste zu vermeidende Harmonische verschoben, sodass die 5. und 7. Harmonische nicht mehr verstärkt werden. Gängige Verstimmungsfaktoren von 5,67 %, 7 % und 12,5 % verschieben die Resonanzordnung auf etwa 4,2, 3,8 und 2,8 (ca. 210 Hz, 189 Hz und 141 Hz bei 50 Hz). Die Drossel muss auf die Nennleistung des Kondensators abgestimmt sein, da sie sonst zu einer Wärmequelle wird.

Aktiver Oberwellenfilter (AHF)

Einaktiver OberwellenfilterDas System misst den Laststrom mit externen Stromwandlern, berechnet die Oberwellenanteile in Echtzeit und speist einen gleich großen, entgegengesetzten Strom ein, um diese zu kompensieren. Dadurch wird der Klirrfaktor (THDi) am Stromwandlerstandort auf einen Zielwert reduziert. Es erzeugt keine Resonanz mit dem Netz, muss jedoch für den zu kompensierenden Oberwellenstrom ausgelegt sein, und seine Stromwandler müssen auf der richtigen Seite des Trennpunktes zwischen Oberwellen- und Bankströmen positioniert sein.

Statischer Variablengenerator (SVG)

Astatischer VariablengeneratorSie speist kontinuierlich Blindstrom ein oder nimmt ihn auf, korrigiert den Leistungsfaktor stufenlos und bleibt in einem oberschwingungsreichen Netz stabil, wo eine einfache Blindleistungsbank instabil ist. Sie reagiert schnell auf Laständerungen und kann die Spannung stützen, ihre Hauptaufgabe ist jedoch die Blindleistungskompensation, nicht die Oberschwingungsunterdrückung.

Hybridsysteme

AHybride BlindleistungskompensationDas System verwendet eine geregelte Kondensatorbank für die konstante Blindleistung und einen AHF oder SVG für den schnellen oder harmonischen Anteil, was oft die niedrigsten Gesamtkosten bietet, wenn gleichzeitig ein hoher kvar-Bedarf und ein signifikanter Oberwellenstrom auftreten.

Auswahl: Welche Lösung passt zu welcher Bedingung?

Wählen Sie das Messgerät passend zur Messung. Eine einzelne Analyseeinheit reicht selten aus. Protokollieren Sie daher einen kompletten Produktionszyklus und erfassen Sie den ungünstigsten Betriebspunkt. Verfügt eine Anlage bereits über eine Kondensatorbank und sind neue Frequenzumrichter geplant, überprüfen Sie die Kompensationsauslegung vor der Inbetriebnahme der Umrichter, nicht erst nach dem ersten Sicherungsausfall.

Wenn eine verstimmte Bank ausreicht

Wird die Kondensatorbank hauptsächlich für die Grundreaktivleistung benötigt, ist der THDi-Wert moderat und die gemessene Resonanzordnung liegt sicher außerhalb der 5. und 7. Ordnung; in diesem Fall ist der Austausch der Standardkondensatoren gegen eine verstimmte Kondensatorbank und angepasste Drosseln die einfachste Reparatur.

Wenn Sie ein AHF oder SVG benötigen

Wenn Oberwellenströme zur Einhaltung eines Verzerrungsgrenzwerts entfernt werden müssen, ist ein AHF das geeignete Mittel. Wird hingegen primär schnelle und kontinuierliche Blindleistung benötigt, ist ein SVG besser geeignet; ein AHF wird dann hinzugefügt, wenn Oberwellengrenzwerte gelten. Informationen zur Anpassung der Blindleistung an die Last finden Sie unter [Link einfügen].SVG-Größenbestimmung für die LeistungsfaktorkorrekturDie

Grenzen: Was eine Entschädigung nicht beheben kann

• Eine Kondensatorbank, ob verstimmt oder nicht, verbessert die Blindleistung; sie filtert keine Oberwellen.
• Ein AHF kann nicht mehr Oberwellenstrom entfernen, als für den er ausgelegt ist, und eine falsche Stromwandlerplatzierung kann dazu führen, dass er den falschen Strom kompensiert.
• Durch Verstimmen wird lediglich der Resonanzpunkt verschoben; das Risiko wird verringert, die Verzerrung jedoch nicht beseitigt.
• Verstopfte Filter, defekte Lüfter und lose Anschlüsse verursachen immer noch Wärme, und Einsparungen können vor einer Messung nicht garantiert werden.

Häufig gestellte Fragen

Kann ich die Kondensatorbank nach dem Hinzufügen von Frequenzumrichtern weiterhin verwenden?

Ja, sofern die Kondensatorbank für die neue Oberwellenumgebung geprüft wurde. Standardkondensatoren in einem oberwellenreichen System sollten überprüft werden, und die meisten Anlagen mit hohem Frequenzumrichteranteil rüsten entweder auf eine entstimmte Kondensatorbank um oder eliminieren den Oberwellenstrom mit einem AHF (Analog High Frequency).

Woran kann ich erkennen, ob Resonanz das Problem ist?

Messen Sie das Oberwellenspektrum und den Kondensatorstrom. Wenn der Strom der 5. oder 7. Oberwelle im Kondensator unverhältnismäßig hoch ist, Sicherungen wiederholt ohne Fehler auslösen oder die Resonanzfrequenz nahe an einer dominanten Oberwelle liegt, ist Resonanz die wahrscheinliche Ursache.

Soll ich eine AHF- oder eine verstimmte Bank wählen?

Wählen Sie eine verstimmte Bank, wenn hauptsächlich Blindleistung benötigt wird und die Verzerrung moderat ist. Wählen Sie eine AHF-Bank, wenn ein Oberwellengrenzwert eingehalten und die Verzerrung reduziert werden muss. Viele Industrieprojekte nutzen beide.

Welche Wartungskosten und welche Amortisationszeit kann ich erwarten?

Bei nicht abgestimmten Kondensatorbänken müssen Kondensatoren, Drosseln, Schütze und die Belüftung regelmäßig überprüft werden; AHF- und SVG-Einheiten benötigen hauptsächlich eine saubere Luftzufuhr und eine korrekte Stromwandlerverdrahtung. Die Amortisationszeit hängt vom Tarif, dem Lastprofil und der Verlustreduzierung ab; sie sollte daher anhand von Messdaten berechnet werden.

YT Electric liefert AHF-, SVG- und hybride Blindleistungskompensationssysteme für Industrieanlagen, Rechenzentren und EPC-Projekte. Senden Sie Ihre Messdaten an unser Ingenieurteam, um die passende Konfiguration zu ermitteln.

Abschluss

Eine Überhitzung der Kondensatorbank nach dem Hinzufügen von Frequenzumrichtern deutet auf eine veränderte Oberwellenumgebung hin und ist kein Beweis für minderwertige Kondensatoren. Messen Sie THDi, THDu, den Effektivwert des Kondensatorstroms und die Resonanzordnung am Netzanschlusspunkt (PCC) und wählen Sie anschließend zwischen einer verstimmten Kondensatorbank, einem AHF-System, einem SVG-System oder einem Hybridsystem. Behandeln Sie Überhitzung als Problem der Netzqualität, dann ist die Reparatur dauerhaft.