Анализ технических решений для частотного пуска высоковольтных двигателей

Технология запуска с переменной частотой для высоковольтных двигателей, обеспечивающая плавный пуск, плавную остановку и бесступенчатое регулирование скорости путем регулировки входного напряжения и частоты двигателей, стала ключевой технологией для повышения операционной эффективности оборудования и снижения энергопотребления в современной промышленности. Следующий анализ охватывает четыре ключевых аспекта: технические принципы, основные преимущества, типичные сценарии применения и рекомендации по техническому выбору.

I. Технические принципы и пути реализации

Высоковольтный пуск с переменной частотой основан на принципе преобразования переменного тока в постоянный и обратно, при этом основной процесс делится на три этапа:

1. Этап выпрямления: Высоковольтный переменный ток (например, 6 кВ/10 кВ) преобразуется в высоковольтный постоянный ток с помощью мощных диодных или тиристорных выпрямительных мостов, обеспечивая стабильный источник питания для последующего инвертирования.
2. Этап фильтрации: Фильтрующая цепь, состоящая из конденсаторов или индукторов, устраняет гармоники в постоянном токе, обеспечивая плавную форму сигнала и высококачественный вход постоянного тока для этапа инвертирования.
3. Этап инвертирования: Высокоскоростные коммутационные устройства, такие как IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором), преобразуют постоянный ток в трехфазный переменный ток с регулируемой частотой и напряжением. Технология ШИМ (широтно-импульсной модуляции) точно контролирует выходную форму сигнала для управления двигателем в соответствии с требованиями.

Ядро управления: DSP (цифровые сигнальные процессоры) или микропроцессоры отслеживают рабочее состояние двигателя в режиме реального времени и динамически регулируют выходную частоту и напряжение для достижения замкнутого регулирования скорости. Например, при модернизации конденсаторного насоса с переменной частотой датчик уровня воды, измеряющий давление, обеспечивает обратную связь в реальном времени по уровню жидкости в переднем бассейне, что позволяет встроенному ПИД-контроллеру преобразователя частоты автоматически регулировать выходную частоту для точного управления уровнем.

II. Основные преимущества и техническая ценность

1. Плавный пуск и плавная остановка:
   • Устраняет пусковой ток при прямом пуске (который может достигать 4-7-кратного номинального тока), продлевая срок службы двигателей и сетевого оборудования.
   • Снижает механические удары, защищая подшипники, шестерни и другие компоненты трансмиссии двигателя, а также снижая затраты на техническое обслуживание.
   • Например, система высоковольтного пуска с переменной частотой Xi'an Xima Electric позволяет двигателям запускаться при номинальном токе и крутящем моменте, устраняя колебания напряжения и значительно повышая надежность оборудования.
2. Энергосбережение и снижение потребления:
   • Бесступенчатое регулирование скорости обеспечивает оптимальное соответствие мощности между двигателями и нагрузками, избегая неэффективности «двигателей больших размеров».
   • Эмпирические данные показывают, что регулирование скорости с переменной частотой обеспечивает экономию энергии не менее 30%. Например, компания Tianjin Datang International Panshan Power Generation Company модернизировала конденсаторные насосы на блоках мощностью 600 МВт, снизив энергопотребление одного двигателя с 2500 кВт до фактического рабочего уровня, что привело к значительной экономии энергии.
3. Оптимизация процессов и интеграция автоматизации:
   • Высокоточное регулирование скорости соответствует сложным требованиям технологических процессов, таким как замкнутое управление уровнем жидкости в переднем бассейне шламовых насосов и стабильное регулирование давления в воздушных компрессорах.
   • Бесшовная интеграция с DCS (распределенными системами управления) повышает уровень автоматизации агрегатов. Например, после модернизации шламовых насосов на электростанции в рамках Guodian Group встроенный цифровой ПИД-контроллер в преобразователе частоты обеспечил автоматическое управление уровнем жидкости, оптимизируя производственные процессы.
4. Повышенная адаптируемость к сети:
   • Работает независимо от мощности сети, обеспечивая стабильный запуск больших двигателей даже в плохих сетевых условиях.
   • Обеспечивает компенсацию реактивной мощности, улучшая коэффициенты мощности сети и снижая потери в линиях. Например, технология VSV компании Xi'an Xima Electric обеспечивает переключение в двух режимах между работой с переменной частотой и компенсацией реактивной мощности, повышая коэффициент использования оборудования.

III. Типичные сценарии применения и тематические исследования

1. Энергетическая промышленность:
   • Модернизация конденсаторного насоса с переменной частотой: Схема «один привод — два насоса» (один преобразователь частоты управляет двумя насосами) обеспечивает экономию энергии и резервирование. Например, после модернизации в Panshan Power Generation Company рабочий ток конденсаторных насосов упал с 250,5 А до динамически регулируемых значений во время работы с переменной частотой, при этом коэффициент энергосбережения превысил 30%.
   • Оптимизация регулирования скорости шламового насоса: Скорость двигателя динамически регулируется в зависимости от уровня жидкости в переднем бассейне, что снижает частоту запусков/остановок и связанные с этим нагрузки на двигатель. После модернизации на электростанции Guodian Group эксплуатационная стабильность шламовых насосов значительно улучшилась, снизив затраты на техническое обслуживание.
2. Нефтехимическая и металлургическая промышленность:
   • Модернизация воздушных компрессоров для экономии энергии: Плавный пускатель с переменной частотой «один привод — два компрессора» обеспечивает беспорядочный запуск и бесшовное переключение между двумя компрессорами. Например, плавный пускатель с переменной частотой серии JD-BP38 компании New Wind Light Electronic использует технологию смещения нейтральной точки для обеспечения сбалансированного выходного напряжения при сбоях в работе агрегатов, гарантируя стабильность системы.
   • Регулирование скорости для вентиляторов и насосных нагрузок: Преобразователи частоты обеспечивают замкнутое управление потоком и давлением в вентиляторах и насосах, устраняя дроссельные потери и повышая эффективность системы.
3. Аэрокосмическая и военная промышленность:
   • Требования к высокой надежности запуска: Система высоковольтного пуска с переменной частотой Xi'an Xima Electric сертифицирована научно-исследовательскими институтами военной авиации, что соответствует строгим требованиям к запуску двигателей в суровых условиях и демонстрирует техническую зрелость и надежность.

IV. Рекомендации по техническому выбору и реализации

1. Выбор топологий преобразователей частоты:
   • Трехуровневая структура с зажимом нейтральной точки: Подходит для сценариев с высокой мощностью (например, двигатели мощностью более 570 кВт), имеет меньшее количество коммутационных устройств, высокую перегрузочную способность и простую, надежную структуру. Например, при модернизации шламового насоса Guodian Group была выбрана трехуровневая топология на основе IGCT для соответствия требованиям к запуску с маховика и защите от перегрузки.
   • Ячейковая многоуровневая структура: Идеально подходит для сценариев со строгими требованиями к гармоникам сети, устраняя необходимость в выходных фильтрах и обеспечивая прямое управление стандартными асинхронными двигателями. Например, плавный пускатель с переменной частотой New Wind Light Electronic использует эту структуру для низкогармоничного выхода.
2. Конфигурация функции управления:
   • Возможность управления с обратной связью: Отдавайте предпочтение преобразователям частоты, поддерживающим ПИД-регулирование и замкнутое управление давлением/уровнем жидкости для удовлетворения потребностей оптимизации процесса.
   • Коммуникационные интерфейсы и протоколы: Обеспечьте совместимость с основными протоколами, такими как Modbus и Profibus, для бесшовной интеграции с системами DCS/PLC.
   • Функции защиты: Оснастите защитой от перегрузки по току, перегрузки, пониженного напряжения, перенапряжения, потери фазы и короткого замыкания для повышения безопасности системы.
3. Конструкция теплового управления и защиты окружающей среды:
   • Системы охлаждения: Высоковольтные преобразователи частоты выделяют значительное количество тепла и требуют принудительного воздушного или водяного охлаждения для поддержания температуры окружающей среды ниже 40°C. Например, компания Panshan Power Generation Company оснастила помещение преобразователя частоты системой охлаждения с использованием радиаторов и циркулирующей охлаждающей воды для отвода тепла.
   • Классы защиты: Выбирайте преобразователи частоты с классом защиты IP54 или выше, чтобы выдерживать суровые промышленные условия.