Analyse technischer Lösungen für den Frequenzumrichter-Anlauf von Hochspannungsmotoren

Die Technologie des Frequenzumrichters für Hochspannungsmotoren, die durch Anpassung der Eingangsspannung und -frequenz der Motoren Sanftanlauf, Sanftstopp und stufenlose Drehzahlregelung erreicht, hat sich zu einer Kerntechnologie zur Steigerung der Betriebseffizienz von Anlagen und zur Reduzierung des Energieverbrauchs in der modernen Industrie entwickelt. Die folgende Analyse umfasst vier Hauptaspekte: technische Prinzipien, Kernvorteile, typische Anwendungsszenarien und Empfehlungen zur technischen Auswahl.

I. Technische Prinzipien und Implementierungspfade

Der Hochspannungs-Frequenzumrichter basiert auf dem AC-DC-AC-Umwandlungsprinzip, wobei der Kernprozess in drei Schritte unterteilt ist:

1. Gleichrichtungsstufe: Hochspannungs-Wechselstrom (z. B. 6 kV/10 kV) wird über Hochleistungsdioden- oder Thyristor-Gleichrichterbrücken in Hochspannungs-Gleichstrom umgewandelt, wodurch eine stabile Stromversorgung für die anschließende Inversion bereitgestellt wird.
2. Filterstufe: Eine Filterschaltung, die aus Kondensatoren oder Induktivitäten besteht, eliminiert Oberschwingungen im Gleichstrom, wodurch eine glatte Wellenform und ein hochwertiger Gleichstromeingang für die Inversionsstufe gewährleistet werden.
3. Inversionsstufe: Hochgeschwindigkeits-Schaltgeräte wie IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) wandeln den Gleichstrom in ein dreiphasiges Wechselstromnetz mit einstellbarer Frequenz und Spannung um. Die PWM-Technologie (Pulse Width Modulation) steuert die Ausgangswellenform präzise, um den Motor nach Bedarf anzutreiben.

Steuerungskern: DSPs (Digital Signal Processors) oder Mikroprozessoren überwachen den Betriebszustand des Motors in Echtzeit und passen die Ausgangsfrequenz und -spannung dynamisch an, um eine geschlossene Drehzahlregelung zu erreichen. Beispielsweise liefert bei einer Nachrüstung eines Kondensatorpumpen-Frequenzumrichters ein Druck-Wasserstandssensor Echtzeit-Rückmeldungen über den Vorbecken-Flüssigkeitsstand, wodurch der in den Frequenzumrichter integrierte PID-Regler die Ausgangsfrequenz automatisch anpassen kann, um eine präzise Pegelregelung zu erreichen.

II. Kernvorteile und technischer Wert

1. Sanftanlauf und Sanftstopp:
   • Eliminiert Einschaltströme beim Direktstart (die das 4-7-fache des Nennstroms erreichen können), wodurch die Lebensdauer von Motoren und Netzgeräten verlängert wird.
   • Reduziert mechanische Stöße, schützt Motorlager, Zahnräder und andere Getriebekomponenten und senkt die Wartungskosten.
   • Beispielsweise ermöglicht das Hochspannungs-Frequenzumrichtersystem von Xi'an Xima Electric den Motoren den Anlauf bei Nennstrom und -drehmoment, wodurch Spannungsschwankungen eliminiert und die Zuverlässigkeit der Geräte erheblich verbessert wird.
2. Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung:
   • Die stufenlose Drehzahlregelung gewährleistet eine optimale Leistungsanpassung zwischen Motoren und Lasten und vermeidet Ineffizienzen durch "übergroße Motoren".
   • Empirische Daten zeigen, dass die Frequenzumrichter-Drehzahlregelung mindestens 30 % Energieeinsparung erzielt. Beispielsweise hat die Tianjin Datang International Panshan Power Generation Company Kondensatorpumpen an 600-MW-Einheiten nachgerüstet, wodurch der Stromverbrauch eines einzelnen Motors von 2.500 kW auf sein tatsächliches Betriebsniveau gesenkt wurde, was erhebliche Energieeinsparungen erbrachte.
3. Prozessoptimierung und Automatisierungsintegration:
   • Die hochpräzise Drehzahlregelung erfüllt komplexe Prozessanforderungen, wie z. B. die Regelung des Vorbecken-Flüssigkeitsstands in Ascheschlammpumpen und die stabile Druckregelung in Luftkompressoren.
   • Die nahtlose Integration mit DCS (Distributed Control Systems) erhöht das Automatisierungsniveau der Einheit. Beispielsweise erreichte der in den Frequenzumrichter integrierte digitale PID-Regler nach der Nachrüstung von Ascheschlammpumpen in einem Kraftwerk der Guodian Group eine automatische Flüssigkeitsstandsregelung, wodurch die Produktionsprozesse optimiert wurden.
4. Verbesserte Netzanpassungsfähigkeit:
   • Arbeitet unabhängig von der Netzleistung und ermöglicht einen stabilen Anlauf großer Motoren auch bei schlechten Netzbedingungen.
   • Bietet Blindleistungskompensation, verbessert den Leistungsfaktor des Netzes und reduziert Leitungsverluste. Beispielsweise ermöglicht die VSV-Technologie von Xi'an Xima Electric das Umschalten im Doppelmodus zwischen Frequenzumrichterbetrieb und Blindleistungskompensation, wodurch die Geräteauslastung verbessert wird.

III. Typische Anwendungsszenarien und Fallstudien

1. Energiewirtschaft:
   • Nachrüstung von Kondensatorpumpen mit Frequenzumrichtern: Ein "Ein-Antrieb-Zwei-Pumpen"-Schema (ein einzelner Frequenzumrichter treibt zwei Pumpen an) erzielt Energieeinsparungen und Redundanz. Beispielsweise sank nach der Nachrüstung bei der Panshan Power Generation Company der Betriebsstrom der Kondensatorpumpen von 250,5 A auf dynamisch angepasste Werte während des Frequenzumrichterbetriebs, wobei die Energieeinsparungsrate 30 % überstieg.
   • Drehzahloptimierung von Ascheschlammpumpen: Die Motordrehzahl wird dynamisch an den Vorbecken-Flüssigkeitsstand angepasst, wodurch häufiges Starten/Stoppen und die damit verbundene Motorbelastung reduziert werden. Nach der Nachrüstung in einem Kraftwerk der Guodian Group verbesserte sich die Betriebsstabilität der Ascheschlammpumpen erheblich, wodurch die Wartungskosten gesenkt wurden.
2. Petrochemische und metallurgische Industrie:
   • Energiesparende Aufrüstungen von Luftkompressoren: Ein "Ein-Antrieb-Zwei-Kompressoren"-Frequenzumrichter-Sanftanlauf ermöglicht ungeordnetes Starten und nahtloses Umschalten zwischen zwei Kompressoren. Beispielsweise verwendet der Frequenzumrichter-Sanftanlauf der JD-BP38-Serie von New Wind Light Electronic die Neutralpunktschaltungstechnologie, um eine ausgeglichene Ausgangsspannung bei Geräteausfällen zu gewährleisten und die Systemstabilität zu garantieren.
   • Drehzahlregelung für Lüfter- und Pumpenlasten: Frequenzumrichter erreichen eine geschlossene Regelung von Durchfluss und Druck in Lüftern und Pumpen, wodurch Drosselverluste eliminiert und die Systemeffizienz verbessert werden.
3. Luft- und Raumfahrt- und Militärindustrie:
   • Hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Starts: Das Hochspannungs-Frequenzumrichtersystem von Xi'an Xima Electric wurde von militärischen Luftfahrtforschungsinstituten zertifiziert und erfüllt strenge Anforderungen an den Motorstart in rauen Umgebungen, was seine technische Reife und Zuverlässigkeit unter Beweis stellt.

IV. Empfehlungen zur technischen Auswahl und Implementierung

1. Auswahl der Frequenzumrichter-Topologien:
   • Dreistufige Neutralpunkt-geklemmte Struktur: Geeignet für Hochleistungsszenarien (z. B. Motoren über 570 kW), mit weniger Schaltgeräten, starker Überstromfähigkeit und einfacher, zuverlässiger Struktur. Beispielsweise wählte die Guodian Group für die Nachrüstung der Ascheschlammpumpe eine IGCT-basierte dreistufige Topologie, um den Anforderungen an den Schwungradstart und den Überlastschutz gerecht zu werden.
   • Zell-Serien-Mehrfachstruktur: Ideal für Szenarien mit strengen Netzoberschwingungsanforderungen, wodurch Ausgangsfilter überflüssig werden und der direkte Antrieb von Standard-Asynchronmotoren ermöglicht wird. Beispielsweise verwendet der Frequenzumrichter-Sanftanlauf von New Wind Light Electronic diese Struktur für einen oberwellenarmen Ausgang.
2. Konfiguration der Steuerungsfunktion:
   • Fähigkeit zur geschlossenen Regelung: Bevorzugen Sie Frequenzumrichter, die die PID-Regelung und die geschlossene Regelung von Druck/Flüssigkeitsständen unterstützen, um den Anforderungen der Prozessoptimierung gerecht zu werden.
   • Kommunikationsschnittstellen und -protokolle: Gewährleisten Sie die Kompatibilität mit gängigen Protokollen wie Modbus und Profibus für eine nahtlose Integration in DCS/PLC-Systeme.
   • Schutzfunktionen: Ausstatten mit Überstrom-, Überlast-, Unterspannungs-, Überspannungs-, Phasenausfall- und Kurzschlussschutz zur Erhöhung der Systemsicherheit.
3. Wärmemanagement und Umweltschutzdesign:
   • Kühlsysteme: Hochspannungs-Frequenzumrichter erzeugen erhebliche Wärme und erfordern Zwangsluftkühlung oder Wasserkühlsysteme, um die Umgebungstemperaturen unter 40 °C zu halten. Beispielsweise stattete die Panshan Power Generation Company ihren Frequenzumrichterraum mit einem Kühlsystem aus, das Kühlkörper und zirkulierendes Kühlwasser verwendet, um die Wärme abzuleiten.
   • Schutzarten: Wählen Sie Frequenzumrichter mit einer Schutzart von IP54 oder höher, um rauen Industrieumgebungen standzuhalten.