Analiza rozwiązań technicznych dla rozruchu z regulacją częstotliwości silników wysokiego napięcia

Technologia rozruchu z regulacją częstotliwości dla silników wysokiego napięcia, która zapewnia łagodny rozruch, łagodne zatrzymywanie i bezstopniową regulację prędkości poprzez regulację napięcia wejściowego i częstotliwości silników, stała się kluczową technologią zwiększającą efektywność operacyjną sprzętu i redukującą zużycie energii w nowoczesnym przemyśle. Poniższa analiza obejmuje cztery kluczowe wymiary: zasady techniczne, główne zalety, typowe scenariusze zastosowań i zalecenia dotyczące wyboru technicznego.

I. Zasady techniczne i ścieżki implementacji

Rozruch z regulacją częstotliwości wysokiego napięcia opiera się na zasadzie konwersji AC-DC-AC, a główny proces dzieli się na trzy etapy:

1. Etap prostowania: Wysokie napięcie przemienne (np. 6kV/10kV) jest konwertowane na wysokie napięcie stałe za pomocą mostków prostowniczych z diodami dużej mocy lub tyrystorami, zapewniając stabilne źródło zasilania dla kolejnych etapów inwersji.
2. Etap filtrowania: Obwód filtrujący złożony z kondensatorów lub cewek eliminuje harmoniczne w zasilaniu prądem stałym, zapewniając gładki przebieg i wysokiej jakości wejście prądu stałego dla etapu inwersji.
3. Etap inwersji: Szybkie urządzenia przełączające, takie jak IGBT (tranzystory bipolarne z izolowaną bramką), konwertują zasilanie prądem stałym na trójfazowe zasilanie prądem przemiennym o regulowanej częstotliwości i napięciu. Technologia PWM (modulacja szerokości impulsu) precyzyjnie kontroluje przebieg wyjściowy, aby napędzać silnik zgodnie z wymaganiami.

Rdzeń sterowania: DSP (procesory sygnału cyfrowego) lub mikroprocesory monitorują stan pracy silnika w czasie rzeczywistym i dynamicznie regulują częstotliwość i napięcie wyjściowe, aby uzyskać regulację prędkości w pętli zamkniętej. Na przykład, w modernizacji pompy kondensacyjnej z regulacją częstotliwości, czujnik poziomu cieczy ciśnieniowej dostarcza informacji zwrotnej w czasie rzeczywistym o poziomie cieczy w przednim zbiorniku, umożliwiając wbudowanemu kontrolerowi PID napędu z regulacją częstotliwości automatyczne dostosowywanie częstotliwości wyjściowej w celu precyzyjnej kontroli poziomu.

II. Główne zalety i wartość techniczna

1. Łagodny rozruch i łagodne zatrzymywanie:
   • Eliminuje prąd rozruchowy podczas bezpośredniego rozruchu (który może osiągnąć 4-7 razy prąd znamionowy), wydłużając żywotność silników i urządzeń sieciowych.
   • Redukuje wstrząsy mechaniczne, chroniąc łożyska silników, przekładnie zębate i inne elementy przeniesienia napędu oraz obniżając koszty konserwacji.
   • Na przykład, system rozruchu z regulacją częstotliwości wysokiego napięcia firmy Xi'an Xima Electric umożliwia uruchamianie silników przy prądzie i momencie obrotowym znamionowym, eliminując wahania napięcia i znacznie poprawiając niezawodność sprzętu.
2. Oszczędność energii i redukcja zużycia:
   • Bezstopniowa regulacja prędkości zapewnia optymalne dopasowanie mocy między silnikami a obciążeniami, unikając nieefektywności "przerośniętych silników".
   • Dane empiryczne wskazują, że regulacja prędkości z regulacją częstotliwości pozwala zaoszczędzić co najmniej 30% energii. Na przykład, firma Tianjin Datang International Panshan Power Generation Company zmodernizowała pompy kondensacyjne w jednostkach 600MW, redukując zużycie energii pojedynczego silnika z 2500kW do jego rzeczywistego poziomu operacyjnego, co przyniosło znaczne oszczędności energii.
3. Optymalizacja procesów i integracja automatyzacji:
   • Precyzyjna regulacja prędkości spełnia złożone wymagania procesowe, takie jak kontrola w pętli zamkniętej poziomów cieczy w przednich zbiornikach w pompach szlamu popiołu i stabilna regulacja ciśnienia w sprężarkach powietrza.
   • Bezproblemowa integracja z systemami DCS (rozproszone systemy sterowania) zwiększa poziom automatyzacji jednostki. Na przykład, po modernizacji pomp szlamu popiołu w elektrowni należącej do Guodian Group, wbudowany cyfrowy kontroler PID w napędzie z regulacją częstotliwości zapewnił automatyczną kontrolę poziomu cieczy, optymalizując procesy produkcyjne.
4. Ulepszona adaptacja do sieci:
   • Działa niezależnie od pojemności sieci, umożliwiając stabilny rozruch dużych silników nawet w słabych warunkach sieciowych.
   • Zapewnia kompensację mocy biernej, poprawiając współczynniki mocy sieci i redukując straty w liniach. Na przykład, technologia VSV firmy Xi'an Xima Electric umożliwia przełączanie w trybie podwójnym między pracą z regulacją częstotliwości a kompensacją mocy biernej, zwiększając wykorzystanie sprzętu.

III. Typowe scenariusze zastosowań i studia przypadków

1. Przemysł energetyczny:
   • Modernizacja pomp kondensacyjnych z regulacją częstotliwości: Schemat "jeden napęd - dwie pompy" (pojedyncza jednostka z regulacją częstotliwości napędzająca dwie pompy) zapewnia oszczędność energii i redundancję. Na przykład, po modernizacji w Panshan Power Generation Company, prąd roboczy pomp kondensacyjnych spadł z 250,5A do dynamicznie regulowanych wartości podczas pracy z regulacją częstotliwości, a wskaźnik oszczędności energii przekroczył 30%.
   • Optymalizacja regulacji prędkości pomp szlamu popiołu: Prędkość silnika jest dynamicznie regulowana w oparciu o poziomy cieczy w przednim zbiorniku, redukując częste uruchamiania/zatrzymywania i związane z tym obciążenia silnika. Po modernizacji w elektrowni Guodian Group, stabilność pracy pomp szlamu popiołu znacznie się poprawiła, obniżając koszty konserwacji.
2. Przemysł petrochemiczny i metalurgiczny:
   • Modernizacja sprężarek powietrza w celu oszczędzania energii: Rozrusznik miękki z regulacją częstotliwości "jeden napęd - dwie sprężarki" umożliwia nieuporządkowane uruchamianie i bezproblemowe przełączanie między dwiema sprężarkami. Na przykład, rozrusznik miękki z regulacją częstotliwości serii JD-BP38 firmy New Wind Light Electronic wykorzystuje technologię przesuwania punktu neutralnego, aby zapewnić zrównoważone napięcie wyjściowe podczas awarii jednostki, gwarantując stabilność systemu.
   • Regulacja prędkości dla wentylatorów i obciążeń pomp: Napędy z regulacją częstotliwości zapewniają kontrolę w pętli zamkniętej przepływu i ciśnienia w wentylatorach i pompach, eliminując straty dławienia i poprawiając wydajność systemu.
3. Przemysł lotniczy i wojskowy:
   • Wymagania dotyczące rozruchu o wysokiej niezawodności: System rozruchu z regulacją częstotliwości wysokiego napięcia firmy Xi'an Xima Electric został certyfikowany przez wojskowe instytuty badawcze lotnictwa, spełniając rygorystyczne wymagania dotyczące rozruchu silników w trudnych warunkach i demonstrując dojrzałość techniczną i niezawodność.

IV. Zalecenia dotyczące wyboru technicznego i implementacji

1. Wybór topologii napędów z regulacją częstotliwości:
   • Trójpoziomowa struktura zaciskana w punkcie neutralnym: Odpowiednia dla scenariuszy dużej mocy (np. silniki powyżej 570kW), charakteryzująca się mniejszą liczbą urządzeń przełączających, dużą zdolnością do przenoszenia prądu i prostą, niezawodną strukturą. Na przykład, modernizacja pompy szlamu popiołu w Guodian Group wybrała trójpoziomową topologię opartą na IGCT, aby spełnić wymagania dotyczące rozruchu z kołem zamachowym i ochrony przed przeciążeniem.
   • Struktura wielopoziomowa szeregowa komórkowa: Idealna dla scenariuszy z surowymi wymaganiami dotyczącymi harmonicznych sieci, eliminując potrzebę stosowania filtrów wyjściowych i umożliwiając bezpośrednie napędzanie standardowych silników asynchronicznych. Na przykład, rozrusznik miękki z regulacją częstotliwości firmy New Wind Light Electronic przyjmuje tę strukturę dla wyjścia o niskiej zawartości harmonicznych.
2. Konfiguracja funkcji sterowania:
   • Możliwość sterowania w pętli zamkniętej: Priorytetowo traktuj napędy z regulacją częstotliwości obsługujące regulację PID i sterowanie w pętli zamkniętej ciśnienia/poziomów cieczy, aby spełnić potrzeby optymalizacji procesów.
   • Interfejsy komunikacyjne i protokoły: Zapewnij zgodność z głównymi protokołami, takimi jak Modbus i Profibus, w celu bezproblemowej integracji z systemami DCS/PLC.
   • Funkcje ochrony: Wyposaż w ochronę nadprądową, przeciążeniową, podnapięciową, przepięciową, zaniku fazy i zwarciową, aby zwiększyć bezpieczeństwo systemu.
3. Zarządzanie termiczne i konstrukcja ochrony środowiska:
   • Systemy chłodzenia: Napędy z regulacją częstotliwości wysokiego napięcia generują znaczne ciepło i wymagają wymuszonego chłodzenia powietrzem lub systemów chłodzenia wodą, aby utrzymać temperaturę otoczenia poniżej 40°C. Na przykład, Panshan Power Generation Company wyposażyła pomieszczenie napędu z regulacją częstotliwości w system chłodzenia wykorzystujący radiatory i obiegową wodę chłodzącą do odprowadzania ciepła.
   • Stopnie ochrony: Wybierz napędy z regulacją częstotliwości o stopniu ochrony IP54 lub wyższym, aby wytrzymać trudne warunki przemysłowe.