1. Введение
Известное отечественное химическое предприятие, в ответ на национальные цели «Углеродного пика и углеродной нейтральности» и учитывая состояние своего производства, запланировало реализовать проект по энергосбережению, сокращению выбросов и расширению мощностей для своего подразделения по производству поликарбоната. Это включало преобразование первоначально парового компрессора MVR с паровым приводом на электрический привод.
Система парового компрессора MVR первоначально приводилась в действие высокоскоростной паровой турбиной (называемой паровой турбиной), напрямую соединенной с приводным валом высокоскоростного центробежного компрессора, как показано на рисунке 1a. Основные трудности при переходе компрессора от пара к электричеству заключались в следующем:
(1) Реализация преобразования электропривода с использованием традиционного двигателя потребует добавления таких компонентов, как повышающий редуктор, смазочная станция и поворотный механизм (как показано на рисунке 1b ниже), что потребует сноса и модернизации существующего фундамента паровой турбины. Это потребует перепроектирования и проверки системы крутильных колебаний, что приведет к длительному циклу модернизации, высокой интенсивности строительства и таким проблемам, как низкая эффективность системы передачи, высокое потребление энергии и высокие затраты на техническое обслуживание.
(2) Принятие модели «Высокоскоростной двигатель + Высокочастотный привод среднего напряжения» (как показано на рисунке 1c) может использовать для модернизации существующий фундамент паровой турбины, что сделает реализацию проекта менее сложной. Однако этот технический маршрут создает серьезные проблемы для оценки осуществимости.
(3) Высокопроизводительные высокоскоростные системы прямого привода представляют собой передовое технологическое направление в области электроприводов. Структурная прочность высокоскоростных двигателей, высокочастотные характеристики приводов среднего напряжения, безопасность и надежность — все это находится на переднем крае промышленных технологий.
Рисунок 1 Схема конструкции привода парового компрессора МВР до и после модернизации
Будучи важнейшим проектом технической модернизации с целью энергосбережения, сокращения выбросов углерода, увеличения мощности и повышения эффективности, как традиционные маршруты «Привод среднего напряжения + Стандартный двигатель + Редуктор, повышающий скорость», так и усовершенствованные маршруты «Высокоскоростной двигатель + Высокочастотный привод среднего напряжения» представляли технические трудности или трудности реализации.
В свете этого, после тщательного расследования, организация-исполнитель в конечном итоге решила принять усовершенствованный технический маршрут «Высокоскоростной синхронный двигатель с постоянными магнитами + Высокочастотный привод среднего напряжения». Параметры вспомогательного оборудования показаны в таблице ниже:
2. Анализ ключевых технических трудностей
Обычно диапазон выходной частоты приводов среднего напряжения составляет 0–120 Гц, тогда как номинальная частота высокоскоростного двигателя, поддерживающего этот проект, составляет 253,33 Гц с максимальной рабочей частотой 260 Гц. Это означает, что привод среднего напряжения должен обладать способностью управлять высокочастотным выходным сигналом с частотой 260 Гц и выше . Это не просто удвоение выходной частоты; он предъявляет более высокие требования к частоте дискретизации сигнала привода, выходной несущей частоте, скорости передачи данных в системе, вычислительной мощности основного управления и алгоритмам управления, подавлению высокочастотных потерь при переключении силовых устройств и оптимизации теплового моделирования силовых элементов.
2.1 Синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) Обнаружение положения ротора в состоянии покоя
Когда ротор синхронного двигателя с постоянными магнитами вращается, на стороне статора возникает наведенная ЭДС. Привод может получить угол положения ротора в реальном времени посредством фазовой синхронизации этой наведенной ЭДС. Однако, когда СДСМ находится в состоянии покоя, соответствие между положением магнитного полюса ротора и магнитными полюсами статора является случайным (как показано на рисунке 2).
Без выполнения определения положения покоя ротора, прямой подачи трехфазного напряжения на статор, в то время как магнитное поле статора и магнитное поле ротора являются случайными, это может привести к запуску двигателя в обратном направлении, а в серьезных случаях - к перегрузке по выходному току привода и повреждению механической трансмиссии. Чтобы избежать подобных ситуаций, при запуске синхронного двигателя необходимо сначала определить исходное положение ротора СДСМ. После получения исходного положения ротора для запуска двигателя подается трехфазное напряжение, синфазное с углом ротора.
Рисунок 2. Неопределенность положения магнитного полюса ротора относительно магнитных полюсов статора в состоянии покоя.
Чтобы решить эту проблему, компания Nancal Electric разработала технологию определения положения ротора в состоянии покоя для PMSM в сценариях управления скоростью без датчиков . Сложность этой технологии заключается в том, что программное обеспечение требует основы, основанной на «алгоритмах векторного управления», а аппаратное обеспечение требует, чтобы привод обладал высокоточными возможностями выборки и обработки напряжения и тока на выходной стороне, чтобы точно идентифицировать слабые изменения в сигналах выборки на стороне двигателя.
Эта технология обеспечивает погрешность определения начального положения ротора <3 ° . Угол начального вектора напряжения на выходе привода начинается с угла положения ротора, что предотвращает реверс при запуске и перегрузку по току. На рисунке ниже показаны формы сигналов напряжения, скорости и тока во время запуска с использованием этой технологии. Как видно, преобразователь частоты управляет двигателем плавно, без выбросов напряжения или тока.
Рис. 3. Кривые напряжения, скорости и тока во время запуска
2.2 Технология высокоскоростной выборки сверхвысокочастотного привода
Когда высокоскоростной двигатель работает на частоте 260 Гц, каждый цикл составляет всего 3,85 мс (T=1/260≈3,85 мс). По сравнению с условиями привода среднего напряжения общего назначения с частотой 50 Гц (20 мс на цикл) для достижения тех же характеристик управления требуется, чтобы цикл выборки был более чем в 5 раз быстрее . Таким образом, по сравнению с двигателями с обычной номинальной частотой промышленной частоты, приведение в действие высокочастотных двигателей требует более высокой частоты выборки и управления для обеспечения динамической скорости отклика на выходе привода.
Между тем, компоненты дискретизации напряжения и тока привода должны обладать характеристиками с широкой полосой пропускания (> 100 кГц) и малой задержкой (<1 мкс); время преобразования АЦП и задержка цепи формирования сигнала основной системы управления должны строго контролироваться; Алгоритмы управления основной системы управления должны выполнять преобразования Парка/Кларка, ПИ-регулирование, генерацию ШИМ и т. д. в пределах одного цикла управления, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к производительности в реальном времени.
2.3 Технология высокочастотной выходной ШИМ-модуляции несущей
Если при работе двигателя с частотой 260 Гц соотношение несущей (несущая частота/рабочая частота) слишком низкое (например, <20), это приведет к значительному увеличению гармоник тока, влияя на плавность крутящего момента и эффективность. Чтобы уменьшить пульсации тока и повысить точность управления, несущую частоту ШИМ необходимо увеличить. Однако увеличение несущей частоты приводит к увеличению потерь на переключение силовых устройств и напряжению du/dt. Таким образом, рациональный выбор несущей частоты ШИМ и реализация выходной модуляции в различных диапазонах рабочих частот является одной из стратегий решения проблемы управления высокочастотным выходом приводов.
Приводы среднего напряжения серии NC HVVF с последовательной структурой ячеек обеспечивают выход высокочастотной несущей на стороне двигателя за счет двух технологий: несущей частоты ячейки ШИМ и фазосдвигающей суперпозиции серии ячеек . Это отвечает требованиям точности управления в условиях высокочастотного выходного сигнала привода и эффективно подавляет потери переключения силовых устройств, удовлетворяя сценариям применения высокочастотного привода с частотой 120–260 Гц.
2.4 Влияние скорости передачи данных силового элемента и главного управления на высокочастотный привод
Скорость связи между основной системой управления привода и силовыми элементами также является решающим фактором для приводов среднего напряжения для высокочастотных двигателей. Высокочастотная несущая частота ШИМ требует от основной системы управления передачи командных сигналов переключения IGBT высокого разрешения на все силовые элементы посредством высокоскоростной связи. Это гарантирует, что мостовая схема инвертора IGBT каждого силового элемента может точно включаться и выключаться.
По сравнению со скоростью передачи данных приводов общего назначения 1–2 МГц, приводы среднего напряжения, применяемые в высокочастотных двигателях, должны использовать высокоскоростные оптоволоконные каналы связи со скоростями выше 10 МГц и возможностями высокоскоростной обработки FPGA . Благодаря технологии модуляции несущей, технологии компенсации мертвого времени, фазовому сдвигу несущей и другим технологиям достигается высокоскоростная передача управляющих сигналов для каждого силового элемента, что эффективно позволяет избежать таких проблем, как несинхронизация выходных сигналов ячеек, вызванная большими задержками связи или недостаточной полосой пропускания, которые могут привести к циркулирующим токам и дисбалансу напряжений.
2.5 Требования высокочастотного привода к вычислительной мощности главного управления
Высокочастотные приводы среднего напряжения не только предъявляют более высокие требования к дискретизации выходного сигнала привода, несущей частоте привода IGBT и оптоволоконной связи, но также предъявляют более высокие требования к скорости обработки и вычислительной мощности с плавающей запятой основной системы управления привода среднего напряжения.
Основная аппаратная платформа управления приводов среднего напряжения серии NC HVVF оснащена интегрированной трехъядерной платой управления «DSP + FPGA + ARM» , что позволяет преодолеть ограничения на производительность обработки, налагаемые архитектурой объединительной шины традиционных главных шкафов управления, монтируемых в стойку. Главный управляющий чип имеет высокую тактовую частоту ( ≥500 МГц ) и аппаратный модуль с плавающей запятой (FPU) , что позволяет ему лучше адаптироваться и удовлетворять требованиям управления высокочастотными приводами.
3. Результаты применения
Приводы среднего напряжения серии NC HVVF, предоставленные Nancal Electric, обеспечили превосходные высокочастотные характеристики привода и характеристики управления безопасностью системы для высокоскоростного PMSM в проекте модернизации парового компрессора MVR «пар-электрический» установки по производству поликарбоната, обеспечивая высоконадежную и устойчивую техническую поддержку для проекта модернизации. С момента ввода в эксплуатацию в июне 2023 года они непрерывно и стабильно проработали более 20 000 часов без сбоев и внеплановых остановов , играя значительную роль в достижении заказчиком экономии энергии, повышения эффективности и обеспечения производственных преимуществ.
Мониторинг данных работы привода показан на рисунке ниже:
Рис. 4. Экран мониторинга данных о работе привода на месте
4. Заключение
Из приведенного выше анализа очевидно, что приводы среднего напряжения для высокочастотных двигателей существенно отличаются от приводов среднего напряжения общего назначения с точки зрения аппаратного обеспечения, связи, управления несущей и алгоритмов. Высокочастотные приводы предъявляют более высокие требования к платформе разработки аппаратного обеспечения и вычислительной мощности программного обеспечения в ключевых технологиях, таких как основная платформа управления, выборка сигналов, силовая электроника, сотовая связь и т. д. Для высокоскоростных синхронных двигателей к приводам среднего напряжения предъявляются комплексные требования «высокой точности, широкой полосы пропускания, высокой синхронизации и высокой вычислительной мощности».
Ключевые технологические прорывы заключаются в следующем:
(1) Определение угла начального положения ротора в состоянии покоя;
(2) Архитектура выборки и связи с высокой пропускной способностью и малой задержкой;
(3) Оптимальный баланс между несущей частотой ШИМ и потерями переключения;
(4) Алгоритмы векторного управления, адаптированные для высокочастотных СИМД.
Для удовлетворения требований применения технологий высокочастотного средневольтного привода для высокоскоростных двигателей необходима совместная оптимизация на системном уровне, объединяющая мощные приводы силовой электроники, трехъядерную интегрированную основную платформу управления и динамически оптимизированные алгоритмы векторного управления с высокой пропускной способностью . Это обеспечивает точный запуск, стабильное управление и надежную работу высокоскоростных СИМД в сценариях среднего напряжения и высокой мощности.