تحلیل راه حل های فنی برای راه اندازی با فرکانس متغیر موتورهای ولتاژ بالا

فناوری راه‌اندازی با فرکانس متغیر برای موتورهای ولتاژ بالا، که با تنظیم ولتاژ ورودی و فرکانس موتورها، راه‌اندازی نرم، توقف نرم و تنظیم سرعت بدون پله را به دست می‌آورد، به یک فناوری اصلی برای افزایش راندمان عملیاتی تجهیزات و کاهش مصرف انرژی در صنعت مدرن تبدیل شده است. تجزیه و تحلیل زیر چهار بعد کلیدی را پوشش می‌دهد: اصول فنی، مزایای اصلی، سناریوهای کاربردی معمولی و توصیه‌های انتخاب فنی.

I. اصول فنی و مسیرهای پیاده‌سازی

راه‌اندازی با فرکانس متغیر ولتاژ بالا بر اساس اصل تبدیل AC-DC-AC است و فرآیند اصلی به سه مرحله تقسیم می‌شود:

1. مرحله یکسو سازی: جریان متناوب ولتاژ بالا (به عنوان مثال، 6 کیلو ولت/10 کیلو ولت) از طریق پل‌های یکسو کننده دیود یا تریستور با توان بالا به جریان مستقیم ولتاژ بالا تبدیل می‌شود و منبع تغذیه پایداری را برای اینورترهای بعدی فراهم می‌کند.
2. مرحله فیلتر: یک مدار فیلتر متشکل از خازن‌ها یا سلف‌ها، هارمونیک‌ها را در توان DC حذف می‌کند و از شکل موج صاف و ورودی DC با کیفیت بالا برای مرحله اینورتر اطمینان حاصل می‌کند.
3. مرحله اینورتر: دستگاه‌های سوئیچینگ با سرعت بالا مانند IGBT (ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق‌شده) توان DC را به توان AC سه فاز با فرکانس و ولتاژ قابل تنظیم تبدیل می‌کنند. فناوری PWM (مدولاسیون عرض پالس) شکل موج خروجی را برای راه‌اندازی موتور در صورت نیاز، با دقت کنترل می‌کند.

هسته کنترل: DSP (پردازنده‌های سیگنال دیجیتال) یا ریزپردازنده‌ها وضعیت عملیاتی موتور را در زمان واقعی نظارت می‌کنند و فرکانس و ولتاژ خروجی را به صورت پویا تنظیم می‌کنند تا به کنترل سرعت حلقه بسته دست یابند. به عنوان مثال، در یک بازسازی فرکانس متغیر پمپ کندانسور، یک سنسور سطح آب از نوع فشار، بازخورد بی‌درنگ در مورد سطح مایع محفظه جلویی ارائه می‌دهد و کنترل‌کننده PID داخلی درایو فرکانس متغیر را قادر می‌سازد تا فرکانس خروجی را برای کنترل دقیق سطح به طور خودکار تنظیم کند.

II. مزایای اصلی و ارزش فنی

1. راه‌اندازی نرم و توقف نرم:
   • جریان هجومی را در هنگام راه‌اندازی مستقیم (که می‌تواند به 4-7 برابر جریان نامی برسد) حذف می‌کند و عمر موتورها و تجهیزات شبکه را افزایش می‌دهد.
   • شوک‌های مکانیکی را کاهش می‌دهد، از یاتاقان‌ها، چرخ‌دنده‌ها و سایر اجزای انتقال موتور محافظت می‌کند و هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهد.
   • به عنوان مثال، سیستم راه‌اندازی با فرکانس متغیر ولتاژ بالای Xi'an Xima Electric موتورها را قادر می‌سازد تا با جریان و گشتاور نامی راه‌اندازی شوند، نوسانات ولتاژ را از بین می‌برد و قابلیت اطمینان تجهیزات را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد.
2. صرفه‌جویی در انرژی و کاهش مصرف:
   • تنظیم سرعت بدون پله، تطابق توان بهینه بین موتورها و بارها را تضمین می‌کند و از ناکارآمدی‌های «موتور بزرگ» جلوگیری می‌کند.
   • داده‌های تجربی نشان می‌دهد که تنظیم سرعت با فرکانس متغیر حداقل 30٪ صرفه‌جویی در انرژی را به دست می‌آورد. به عنوان مثال، شرکت تولید برق بین‌المللی پاشان داتانگ تیانجین، پمپ‌های کندانسور را در واحدهای 600 مگاواتی بازسازی کرد و مصرف برق یک موتور را از 2500 کیلووات به سطح عملیاتی واقعی آن کاهش داد و صرفه‌جویی قابل توجهی در انرژی به دست آورد.
3. بهینه‌سازی فرآیند و ادغام اتوماسیون:
   • تنظیم سرعت با دقت بالا، الزامات فرآیند پیچیده را برآورده می‌کند، مانند کنترل حلقه بسته سطوح مایع محفظه جلویی در پمپ‌های دوغاب خاکستر و تنظیم فشار پایدار در کمپرسورهای هوا.
   • ادغام یکپارچه با DCS (سیستم‌های کنترل توزیع‌شده) سطح اتوماسیون واحد را افزایش می‌دهد. به عنوان مثال، پس از بازسازی پمپ‌های دوغاب خاکستر در یک نیروگاه تحت گروه گودین، کنترل‌کننده PID دیجیتال داخلی درایو فرکانس متغیر، کنترل خودکار سطح مایع را به دست آورد و فرآیندهای تولید را بهینه کرد.
4. افزایش سازگاری با شبکه:
   • به طور مستقل از ظرفیت شبکه عمل می‌کند و راه‌اندازی پایدار موتورهای بزرگ را حتی در شرایط ضعیف شبکه امکان‌پذیر می‌کند.
   • جبران توان راکتیو را فراهم می‌کند، ضریب توان شبکه را بهبود می‌بخشد و تلفات خط را کاهش می‌دهد. به عنوان مثال، فناوری VSV شرکت Xi'an Xima Electric امکان سوئیچینگ دو حالته بین عملکرد با فرکانس متغیر و جبران توان راکتیو را فراهم می‌کند و استفاده از تجهیزات را افزایش می‌دهد.

III. سناریوهای کاربردی معمولی و مطالعات موردی

1. صنعت برق:
   • بازسازی فرکانس متغیر پمپ کندانسور: یک طرح «یک درایو-دو پمپ» (یک واحد فرکانس متغیر که دو پمپ را هدایت می‌کند) صرفه‌جویی در انرژی و افزونگی را به دست می‌آورد. به عنوان مثال، پس از بازسازی در شرکت تولید برق پاشان، جریان عملیاتی پمپ‌های کندانسور از 250.5 آمپر به مقادیر تنظیم‌شده پویا در طول عملکرد با فرکانس متغیر کاهش یافت و نرخ صرفه‌جویی در انرژی بیش از 30٪ بود.
   • بهینه‌سازی تنظیم سرعت پمپ دوغاب خاکستر: سرعت موتور بر اساس سطوح مایع محفظه جلویی به صورت پویا تنظیم می‌شود و راه‌اندازی/توقف‌های مکرر و تنش‌های مرتبط با موتور را کاهش می‌دهد. پس از بازسازی در یک نیروگاه گروه گودین، پایداری عملیاتی پمپ‌های دوغاب خاکستر به طور قابل توجهی بهبود یافت و هزینه‌های نگهداری کاهش یافت.
2. صنایع پتروشیمی و متالورژی:
   • ارتقاء صرفه‌جویی در انرژی کمپرسور هوا: یک راه‌انداز نرم با فرکانس متغیر «یک درایو-دو کمپرسور» راه‌اندازی بی‌نظم و سوئیچینگ یکپارچه بین دو کمپرسور را امکان‌پذیر می‌کند. به عنوان مثال، راه‌انداز نرم با فرکانس متغیر سری JD-BP38 شرکت New Wind Light Electronic از فناوری جابجایی نقطه خنثی برای اطمینان از ولتاژ خروجی متعادل در هنگام خرابی واحد استفاده می‌کند و پایداری سیستم را تضمین می‌کند.
   • تنظیم سرعت برای فن‌ها و بارهای پمپ: درایوهای فرکانس متغیر کنترل حلقه بسته جریان و فشار را در فن‌ها و پمپ‌ها به دست می‌آورند، تلفات دریچه گاز را از بین می‌برند و راندمان سیستم را بهبود می‌بخشند.
3. صنایع هوافضا و نظامی:
   • الزامات راه‌اندازی با قابلیت اطمینان بالا: سیستم راه‌اندازی با فرکانس متغیر ولتاژ بالای Xi'an Xima Electric توسط مؤسسات تحقیقاتی هوانوردی نظامی تأیید شده است و نیازهای راه‌اندازی موتور سختگیرانه را در محیط‌های خشن برآورده می‌کند و بلوغ فنی و قابلیت اطمینان را نشان می‌دهد.

IV. توصیه‌های انتخاب فنی و پیاده‌سازی

1. انتخاب توپولوژی درایو فرکانس متغیر:
   • ساختار سه سطحی گیره نقطه خنثی: مناسب برای سناریوهای با توان بالا (به عنوان مثال، موتورهای بالای 570 کیلووات)، با دستگاه‌های سوئیچینگ کمتر، قابلیت اضافه جریان قوی و ساختار ساده و قابل اعتماد. به عنوان مثال، بازسازی پمپ دوغاب خاکستر گروه گودین یک توپولوژی سه سطحی مبتنی بر IGCT را برای برآورده کردن الزامات راه‌اندازی فلایویل و حفاظت از اضافه بار انتخاب کرد.
   • ساختار چند سطحی سری سلولی: ایده‌آل برای سناریوهایی با الزامات هارمونیکی سختگیرانه شبکه، که نیاز به فیلترهای خروجی را از بین می‌برد و امکان راه‌اندازی مستقیم موتورهای آسنکرون استاندارد را فراهم می‌کند. به عنوان مثال، راه‌انداز نرم با فرکانس متغیر شرکت New Wind Light Electronic این ساختار را برای خروجی با هارمونیک کم اتخاذ می‌کند.
2. پیکربندی عملکرد کنترل:
   • قابلیت کنترل حلقه بسته: درایوهای فرکانس متغیر را که از تنظیم PID و کنترل حلقه بسته فشار/سطح مایع پشتیبانی می‌کنند، در اولویت قرار دهید تا نیازهای بهینه‌سازی فرآیند را برآورده کنید.
   • رابط‌ها و پروتکل‌های ارتباطی: از سازگاری با پروتکل‌های اصلی مانند Modbus و Profibus برای ادغام یکپارچه با سیستم‌های DCS/PLC اطمینان حاصل کنید.
   • عملکردهای حفاظتی: مجهز به حفاظت از اضافه جریان، اضافه بار، ولتاژ کم، اضافه ولتاژ، از دست رفتن فاز و اتصال کوتاه برای افزایش ایمنی سیستم.
3. مدیریت حرارتی و طراحی حفاظت از محیط زیست:
   • سیستم‌های خنک‌کننده: درایوهای فرکانس متغیر ولتاژ بالا گرمای قابل توجهی تولید می‌کنند و برای حفظ دمای محیط زیر 40 درجه سانتی‌گراد به سیستم‌های خنک‌کننده هوای اجباری یا خنک‌کننده آبی نیاز دارند. به عنوان مثال، شرکت تولید برق پاشان، اتاق درایو فرکانس متغیر خود را به یک سیستم خنک‌کننده با استفاده از سینک‌های حرارتی و آب خنک‌کننده در گردش برای دفع گرما مجهز کرد.
   • درجه‌بندی حفاظت: درایوهای فرکانس متغیر را با درجه حفاظت IP54 یا بالاتر انتخاب کنید تا در برابر محیط‌های صنعتی خشن مقاومت کنند.