Analisi delle Soluzioni Tecniche per l'Avviamento a Frequenza Variabile di Motori ad Alta Tensione

La tecnologia di avviamento a frequenza variabile per motori ad alta tensione, che realizza avviamento e arresto graduali e regolazione continua della velocità regolando la tensione e la frequenza di ingresso dei motori, è diventata una tecnologia fondamentale per migliorare l'efficienza operativa delle apparecchiature e ridurre il consumo energetico nell'industria moderna. La seguente analisi copre quattro dimensioni chiave: principi tecnici, vantaggi principali, scenari applicativi tipici e raccomandazioni per la selezione tecnica.

I. Principi tecnici e percorsi di implementazione

L'avviamento a frequenza variabile ad alta tensione si basa sul principio di conversione AC-DC-AC, con il processo principale diviso in tre fasi:

1. Fase di rettifica: La corrente alternata ad alta tensione (ad esempio, 6kV/10kV) viene convertita in corrente continua ad alta tensione tramite ponti raddrizzatori a diodi o tiristori ad alta potenza, fornendo una fonte di alimentazione stabile per la successiva inversione.
2. Fase di filtraggio: Un circuito di filtro composto da condensatori o induttori elimina le armoniche nella corrente continua, garantendo una forma d'onda regolare e un ingresso CC di alta qualità per la fase di inversione.
3. Fase di inversione: Dispositivi di commutazione ad alta velocità come gli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) convertono la corrente continua in corrente alternata trifase a frequenza e tensione regolabili. La tecnologia PWM (Pulse Width Modulation) controlla con precisione la forma d'onda in uscita per pilotare il motore come richiesto.

Nucleo di controllo: DSP (Digital Signal Processors) o microprocessori monitorano lo stato operativo del motore in tempo reale e regolano dinamicamente la frequenza e la tensione in uscita per ottenere il controllo della velocità ad anello chiuso. Ad esempio, in un retrofit a frequenza variabile della pompa del condensatore, un sensore di livello dell'acqua di tipo a pressione fornisce un feedback in tempo reale sul livello del liquido del serbatoio di raccolta, consentendo al controller PID integrato dell'azionamento a frequenza variabile di regolare automaticamente la frequenza in uscita per un controllo preciso del livello.

II. Vantaggi principali e valore tecnico

1. Avviamento e arresto graduali:
   • Elimina la corrente di spunto durante l'avviamento diretto (che può raggiungere 4-7 volte la corrente nominale), prolungando la durata dei motori e delle apparecchiature di rete.
   • Riduce gli urti meccanici, proteggendo cuscinetti, ingranaggi e altri componenti di trasmissione del motore e riducendo i costi di manutenzione.
   • Ad esempio, il sistema di avviamento a frequenza variabile ad alta tensione di Xi'an Xima Electric consente ai motori di avviarsi alla corrente e alla coppia nominali, eliminando le fluttuazioni di tensione e migliorando significativamente l'affidabilità delle apparecchiature.
2. Risparmio energetico e riduzione dei consumi:
   • La regolazione continua della velocità garantisce un'ottimale corrispondenza di potenza tra motori e carichi, evitando inefficienze da "motore sovradimensionato".
   • I dati empirici indicano che la regolazione della velocità a frequenza variabile consente di risparmiare almeno il 30% di energia. Ad esempio, la Tianjin Datang International Panshan Power Generation Company ha installato pompe per condensatori su unità da 600 MW, riducendo il consumo energetico di un singolo motore da 2.500 kW al suo livello operativo effettivo, ottenendo significativi risparmi energetici.
3. Ottimizzazione dei processi e integrazione dell'automazione:
   • La regolazione di velocità ad alta precisione soddisfa i complessi requisiti di processo, come il controllo ad anello chiuso dei livelli di liquido del serbatoio di raccolta nelle pompe per fanghi di cenere e la regolazione stabile della pressione nei compressori d'aria.
   • L'integrazione perfetta con i sistemi DCS (Distributed Control Systems) migliora i livelli di automazione dell'unità. Ad esempio, dopo l'installazione di pompe per fanghi di cenere in una centrale elettrica del Guodian Group, il controller PID digitale integrato nell'azionamento a frequenza variabile ha ottenuto il controllo automatico del livello del liquido, ottimizzando i processi di produzione.
4. Maggiore adattabilità alla rete:
   • Funziona indipendentemente dalla capacità della rete, consentendo l'avviamento stabile di motori di grandi dimensioni anche in condizioni di rete scadenti.
   • Fornisce la compensazione della potenza reattiva, migliorando i fattori di potenza della rete e riducendo le perdite di linea. Ad esempio, la tecnologia VSV di Xi'an Xima Electric consente la commutazione a doppia modalità tra il funzionamento a frequenza variabile e la compensazione della potenza reattiva, migliorando l'utilizzo delle apparecchiature.

III. Scenari applicativi tipici e casi di studio

1. Industria energetica:
   • Retrofit a frequenza variabile della pompa del condensatore: Uno schema "un azionamento-due pompe" (una singola unità a frequenza variabile che aziona due pompe) consente di risparmiare energia e ridondanza. Ad esempio, dopo l'installazione presso la Panshan Power Generation Company, la corrente di esercizio delle pompe del condensatore è scesa da 250,5 A a valori regolati dinamicamente durante il funzionamento a frequenza variabile, con un tasso di risparmio energetico superiore al 30%.
   • Ottimizzazione della regolazione della velocità della pompa per fanghi di cenere: La velocità del motore viene regolata dinamicamente in base ai livelli di liquido del serbatoio di raccolta, riducendo i frequenti avviamenti/arresti e lo stress associato al motore. Dopo l'installazione presso una centrale elettrica del Guodian Group, la stabilità operativa delle pompe per fanghi di cenere è migliorata in modo significativo, riducendo i costi di manutenzione.
2. Industrie petrolchimiche e metallurgiche:
   • Aggiornamenti per il risparmio energetico dei compressori d'aria: Un avviatore graduale a frequenza variabile "un azionamento-due compressori" consente l'avviamento disordinato e la commutazione senza interruzioni tra due compressori. Ad esempio, l'avviatore graduale a frequenza variabile serie JD-BP38 di New Wind Light Electronic utilizza la tecnologia di spostamento del punto neutro per garantire una tensione di uscita bilanciata durante i guasti dell'unità, garantendo la stabilità del sistema.
   • Regolazione della velocità per ventole e carichi pompa: Gli azionamenti a frequenza variabile consentono il controllo ad anello chiuso del flusso e della pressione in ventole e pompe, eliminando le perdite di strozzamento e migliorando l'efficienza del sistema.
3. Industrie aerospaziali e militari:
   • Requisiti di avviamento ad alta affidabilità: Il sistema di avviamento a frequenza variabile ad alta tensione di Xi'an Xima Electric è stato certificato dagli istituti di ricerca aeronautica militare, soddisfacendo le rigorose esigenze di avviamento del motore in ambienti difficili e dimostrando maturità tecnica e affidabilità.

IV. Selezione tecnica e raccomandazioni per l'implementazione

1. Selezione delle topologie degli azionamenti a frequenza variabile:
   • Struttura a tre livelli con punto neutro bloccato: Adatta a scenari ad alta potenza (ad esempio, motori superiori a 570 kW), con meno dispositivi di commutazione, forte capacità di sovracorrente e struttura semplice e affidabile. Ad esempio, il retrofit della pompa per fanghi di cenere del Guodian Group ha selezionato una topologia a tre livelli basata su IGCT per soddisfare i requisiti di avviamento a volano e protezione da sovraccarico.
   • Struttura multilivello a serie di celle: Ideale per scenari con severi requisiti di armoniche di rete, eliminando la necessità di filtri in uscita e consentendo la guida diretta di motori asincroni standard. Ad esempio, l'avviatore graduale a frequenza variabile di New Wind Light Electronic adotta questa struttura per un'uscita a basse armoniche.
2. Configurazione della funzione di controllo:
   • Capacità di controllo ad anello chiuso: Dare la priorità agli azionamenti a frequenza variabile che supportano la regolazione PID e il controllo ad anello chiuso della pressione/dei livelli di liquido per soddisfare le esigenze di ottimizzazione del processo.
   • Interfacce e protocolli di comunicazione: Garantire la compatibilità con i protocolli principali come Modbus e Profibus per una perfetta integrazione con i sistemi DCS/PLC.
   • Funzioni di protezione: Dotare di protezione da sovracorrente, sovraccarico, sottotensione, sovratensione, perdita di fase e cortocircuito per migliorare la sicurezza del sistema.
3. Gestione termica e progettazione per la protezione ambientale:
   • Sistemi di raffreddamento: Gli azionamenti a frequenza variabile ad alta tensione generano calore significativo e richiedono sistemi di raffreddamento ad aria forzata o ad acqua per mantenere le temperature ambiente al di sotto di 40°C. Ad esempio, la Panshan Power Generation Company ha dotato la sua sala azionamenti a frequenza variabile di un sistema di raffreddamento che utilizza dissipatori di calore e acqua di raffreddamento in circolazione per dissipare il calore.
   • Grado di protezione: Selezionare azionamenti a frequenza variabile con un grado di protezione IP54 o superiore per resistere ad ambienti industriali difficili.