Как выбрать между высоковольтным шунтом и конденсаторами звена постоянного тока для энергосистем

Когда вы выбираете между высоковольтными шунтирующими конденсаторами и конденсаторами звена постоянного тока для энергосистем, позвольте топологии схемы принять решение за вас. Шунтирующие конденсаторы используются на стороне переменного тока сети для корректировки коэффициента мощности и поддержания напряжения. Конденсаторы звена постоянного тока устанавливаются на шину постоянного тока преобразователя и служат для стабилизации напряжения и поглощения пульсаций тока. Это разные профессии, и смешивать их — самая дорогая ошибка, которую вы можете совершить.

В этом руководстве представлена ​​схема прямого выбора, основанная на практических инженерных данных. Вы узнаете определяющие характеристики каждого типа конденсаторов, четырехэтапный процесс принятия решений, который предотвращает ошибки в спецификации, а также реальные примеры из систем промышленного электроснабжения и индукционного нагрева.

Шунтирующие конденсаторы высокого напряжения: что они делают и как выходят из строя

Шунтирующие конденсаторы высокого напряжения подключаются параллельно сети переменного тока на шине среднего напряжения. Они подают емкостную реактивную мощность для коррекции коэффициента мощности индуктивных нагрузок и стабилизации напряжения шины при изменении нагрузки. Их работа определяется частотой сети, а не частотой переключения.

Выходная реактивная мощность шунтирующего конденсатора равна В в квадрате, умноженному на угловую частоту, умноженному на емкость. При напряжении 10 кВ и частоте 50 Гц батарея шунтирующих конденсаторов номиналом 1 МВар потребляет зарядный ток примерно 100 А. На промышленном плавильном предприятии шунтирующая батарея номиналом от 3 до 10 Мвар снижает линейный ток на 15–25 процентов и снижает потери в трансформаторе.

Определение характеристик шунтирующих конденсаторов высокого напряжения

• Класс напряжения: от 6,6 до 35 кВ с высококачественными диэлектрическими системами.
• Номинальная частота: частота сети 50 Гц или 60 Гц.
• Диапазон емкости: от 20 мкФ до 500 мкФ на элемент
• Диэлектрик: полипропиленовая пленка с алюминиевой фольгой или металлизированными электродами.
• Охлаждение: естественное воздушное, иногда принудительное воздушное, редко жидкостное.
• Стандарт: МЭК 60871 для шунтирующих конденсаторов в сетях переменного тока.

Более подробно о том, как эти компоненты стабилизируют сеть, читайте в нашей статье Стабилизация сетки высоковольтных шунтирующих конденсаторов .

Однофазный высоковольтный пленочный конденсатор для коррекции коэффициента мощности В этом конденсаторе используется полипропиленовая пленка и изолирующее масло для улучшения коэффициента мощности, снижения потерь в линии и поддержания напряжения в системах переменного тока, что делает его ключевым компонентом для компенсации реактивной мощности. Просмотреть продукт →

Конденсаторы звена постоянного тока: что они делают и как выходят из строя

Конденсаторы звена постоянного тока располагаются непосредственно на шине постоянного тока преобразователя мощности. Они сглаживают форму волны выпрямленного напряжения, поглощают пульсации тока инверторного каскада и удерживают напряжение на шине в допустимых пределах при изменении нагрузки. Весь их расчетный срок службы определяется спектральным составом тока, который они несут.

В шине постоянного тока 700 В активного входного преобразователя пленочный конденсатор звена постоянного тока имеет емкость от 1000 мкФ до 5000 мкФ и рассчитан на передачу пульсирующего тока от 20 А до 80 А при переключении 10 кГц. Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора преобразует этот ток в тепло. Снижение температуры ядра на каждые 10 градусов Цельсия удваивает ожидаемый срок службы.

Определение характеристик конденсаторов звена постоянного тока

• Класс напряжения: от 1,2 до 4 кВ в промышленной силовой электронике.
• Частота: высокие частоты пульсации от 5 кГц до 30 кГц
• Диапазон емкости: от 500 мкФ до 5000 мкФ на единицу.
• Диэлектрик: металлизированная полипропиленовая пленка с высокой устойчивостью к dV/dt.
• Охлаждение: принудительное воздушное или водяное охлаждение для систем высокой мощности.
• Стандарт: МЭК 61071 для силовых электронных конденсаторов.

Чтобы понять, как эти компоненты поддерживают силовые электронные системы, прочитайте нашу техническую статью на Конденсатор фильтра постоянного тока в силовой электронике .

Высоковольтный конденсатор фильтра постоянного тока для подавления пульсаций Этот конденсатор, предназначенный для источников постоянного тока высокого напряжения, фильтрует высокочастотные шумы и гармоники, улучшая качество и стабильность электроэнергии в инверторах, ИБП и системах зарядки. Просмотреть продукт →

Четырехэтапная система отбора энергетических систем

Выбор между высоковольтными шунтирующими конденсаторами и конденсаторами звена постоянного тока в большинстве систем определяется тем, где вы размещаете конденсатор и какую частоту он должен выдерживать. Но процесс определения размера состоит из четырех отдельных этапов, которые применимы к любому типу.

1. Определите обязанность: определите, подключен ли конденсатор к сети переменного тока или к шине преобразователя постоянного тока.
2. Проанализируйте форму сигнала напряжения: измерьте пиковое напряжение, dV/dt, а также определите, является ли напряжение синусоидальным или импульсным постоянным током.
3. Рассчитайте токовую нагрузку: определите реактивный ток для шунтирующих батарей или спектр пульсаций тока для конденсаторов звена постоянного тока.
4. Проверьте термическую совместимость: убедитесь, что конденсатор может рассеивать потери в сердечнике с помощью доступного метода охлаждения.

Данные полевых исследований показывают, что 70 процентов преждевременных отказов конденсаторов в промышленных энергосистемах происходят из-за пропуска первого или второго этапа. Когда используется конденсатор не того семейства, он не выходит из строя медленно. Это катастрофически выходит из строя.

Параллельное сравнение: шунтирующий конденсатор и конденсатор звена постоянного тока

В таблице ниже приведены критические различия в спецификациях, которые определяют решение о выборе.

Каждая строка в этой таблице является ограждением. Если спецификация вашего конденсатора не соответствует строке, соответствующей предполагаемому положению, значит, компонент неправильный.

Реальный пример: индукционная плавильная печь с обоими типами конденсаторов

Индукционная плавильная печь — это реальный случай, когда оба типа конденсаторов используются в одной установке. Для подачи среднего напряжения в плавильную печь требуется батарея шунтирующих конденсаторов высокого напряжения для коррекции коэффициента мощности печного трансформатора и сети фильтров гармоник. В то же время твердотельный среднечастотный источник питания приводит в действие катушку печи с конденсатором звена постоянного тока на шине выпрямителя для поглощения пульсаций тока от каскада инвертора.

В этом сценарии шунтирующая батарея на стороне переменного тока номиналом 6,6 кВ и 2,4 МВар обеспечивает потребность станции в реактивной мощности. В шине постоянного тока преобразователя печи, обычно рассчитанной на напряжение от 1200 до 1500 В, используются пленочные конденсаторы звена постоянного тока емкостью от 3000 до 5000 мкФ с водяным охлаждением на верхнем уровне. Наш элемент RAM серии 3,0 кВ, 8400 кВар представляет собой конденсатор, специально разработанный для этого класса печей.

Конденсатор индукционного нагрева и плавления 3,0 кВ, 8400 квар Этот конденсатор с напряжением 3,0 кВ и напряжением 8400 квар при частоте 700 Гц обеспечивает быстрый и точный нагрев и плавление металлов, а также обеспечивает контроль температуры с обратной связью для обеспечения единообразных результатов при литье и термообработке. Просмотреть продукт →

Распространенные ошибки выбора, которые стоят денег

Три повторяющиеся ошибки в технических характеристиках являются причиной более половины преждевременных отказов конденсаторов, зарегистрированных в промышленной силовой электронике.

• Использование шунтирующего конденсатора в качестве конденсатора звена постоянного тока. Шунтирующий конденсатор на 10 кВ не может выдержать непрерывные пульсации тока ШИМ-инвертора. Внутренняя тепловая конструкция не рассчитана на ток высокой частоты.
• Использование конденсатора звена постоянного тока в качестве шунтирующего конденсатора. Конденсатор звена постоянного тока напряжением 1,2 кВ не выдерживает переходных перенапряжений в системе, подключенной к сети. Толщина диэлектрика оптимизирована для блокировки постоянного тока и пульсаций, а не скачков напряжения в сети переменного тока.
• Игнорирование тепловой охлаждающей способности. Оба типа конденсаторов имеют температурные ограничения. Конденсатор звена постоянного тока, рассчитанный на пульсирующий ток 80 А и имеющий только естественное воздушное охлаждение, выйдет из строя в течение нескольких месяцев.

С точки зрения затрат, стоимость прямой замены вышедшего из строя высоковольтного шунтирующего конденсатора обычно составляет от 2 до 4 процентов от общей стоимости установки. Но последующий простой системы может стоить в 10 раз больше стоимости конденсатора из-за потерь в производстве.

Часто задаваемые вопросы

Могу ли я использовать шунтирующий конденсатор высокого напряжения в цепи постоянного тока?

Нет. Шунтирующий конденсатор высокого напряжения рассчитан на синусоидальное напряжение сети. Применение звена постоянного тока подвергает его воздействию постоянного пульсирующего тока частоты переключения, который внутренние элементы не могут рассеять, что приводит к тепловому отказу.

Как рассчитать значение емкости конденсатора звена постоянного тока?

Используйте уравнение энергетического баланса: C = P, разделенный на два раза f_sw, умноженный на дельту V в квадрате. Где P — уровень мощности, f_sw — частота переключения, а delta V — допустимая пульсация напряжения. Результат дает минимальную емкость, необходимую для поддержания напряжения на шине в пределах заданного значения.

Какова типичная разница в сроке службы между этими типами конденсаторов?

В трансформаторном масле при хорошем охлаждении срок службы конденсаторов обоих семейств может достигать 15–20 лет. Практическая разница заключается в том, что конденсаторы звена постоянного тока работают с более высокой тепловой нагрузкой и, следовательно, в большей степени зависят от системы охлаждения и номинального тока пульсаций для достижения такого срока службы.

Нужны ли мне оба типа конденсаторов в одной системе?

Во многих промышленных энергосистемах да. На стороне переменного тока необходим шунтирующий конденсатор для компенсации реактивной мощности. Для шины постоянного тока преобразователя необходим конденсатор звена постоянного тока. Они дополняют друг друга, а не взаимозаменяемы.