Phân tích các Giải pháp Kỹ thuật cho Khởi động Biến tần của Động cơ Cao thế

Công nghệ khởi động biến tần cho động cơ cao áp, đạt được khởi động mềm, dừng mềm và điều chỉnh tốc độ vô cấp bằng cách điều chỉnh điện áp và tần số đầu vào của động cơ, đã trở thành công nghệ cốt lõi để nâng cao hiệu quả hoạt động của thiết bị và giảm tiêu thụ năng lượng trong công nghiệp hiện đại. Phân tích sau đây bao gồm bốn khía cạnh chính: nguyên tắc kỹ thuật, ưu điểm cốt lõi, các tình huống ứng dụng điển hình và các khuyến nghị lựa chọn kỹ thuật.

I. Nguyên tắc kỹ thuật và lộ trình triển khai

Khởi động biến tần cao áp dựa trên nguyên tắc chuyển đổi AC-DC-AC, với quá trình cốt lõi được chia thành ba bước:

1. Giai đoạn chỉnh lưu: Dòng điện xoay chiều cao áp (ví dụ: 6kV/10kV) được chuyển đổi thành dòng điện một chiều cao áp thông qua cầu chỉnh lưu diode hoặc thyristor công suất lớn, cung cấp nguồn điện ổn định cho quá trình nghịch lưu tiếp theo.
2. Giai đoạn lọc: Mạch lọc bao gồm tụ điện hoặc cuộn cảm loại bỏ các sóng hài trong nguồn điện DC, đảm bảo dạng sóng mượt mà và đầu vào DC chất lượng cao cho giai đoạn nghịch lưu.
3. Giai đoạn nghịch lưu: Các thiết bị chuyển mạch tốc độ cao như IGBT (Transistor lưỡng cực có cổng cách điện) chuyển đổi nguồn DC thành nguồn AC ba pha có tần số và điện áp có thể điều chỉnh. Công nghệ PWM (Điều chế độ rộng xung) kiểm soát chính xác dạng sóng đầu ra để điều khiển động cơ theo yêu cầu.

Lõi điều khiển: DSP (Bộ xử lý tín hiệu số) hoặc bộ vi xử lý theo dõi trạng thái hoạt động của động cơ trong thời gian thực và điều chỉnh động lực tần số và điện áp đầu ra để đạt được điều khiển tốc độ vòng kín. Ví dụ, trong việc cải tạo biến tần bơm ngưng tụ, cảm biến mực nước kiểu áp suất cung cấp phản hồi theo thời gian thực về mực chất lỏng của bể trước, cho phép bộ điều khiển PID tích hợp của biến tần tự động điều chỉnh tần số đầu ra để kiểm soát mức chính xác.

II. Ưu điểm cốt lõi và giá trị kỹ thuật

1. Khởi động mềm và dừng mềm:
   • Loại bỏ dòng khởi động đột biến trong quá trình khởi động trực tiếp (có thể đạt tới 4-7 lần dòng điện định mức), kéo dài tuổi thọ của động cơ và thiết bị lưới.
   • Giảm rung động cơ học, bảo vệ vòng bi, bánh răng và các bộ phận truyền động khác, đồng thời giảm chi phí bảo trì.
   • Ví dụ, hệ thống khởi động biến tần cao áp của Xi'an Xima Electric cho phép động cơ khởi động ở dòng điện và mô-men xoắn định mức, loại bỏ dao động điện áp và cải thiện đáng kể độ tin cậy của thiết bị.
2. Tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ:
   • Điều chỉnh tốc độ vô cấp đảm bảo sự phù hợp năng lượng tối ưu giữa động cơ và tải, tránh sự kém hiệu quả của "động cơ quá khổ".
   • Dữ liệu thực nghiệm cho thấy việc điều chỉnh tốc độ biến tần giúp tiết kiệm năng lượng ít nhất 30%. Ví dụ, Công ty Phát điện Panshan Quốc tế Đại Đường Thiên Tân đã cải tạo bơm ngưng tụ trên các tổ máy 600MW, giảm mức tiêu thụ điện của một động cơ từ 2.500kW xuống mức hoạt động thực tế của nó, mang lại hiệu quả tiết kiệm năng lượng đáng kể.
3. Tối ưu hóa quy trình và tích hợp tự động hóa:
   • Điều chỉnh tốc độ chính xác cao đáp ứng các yêu cầu quy trình phức tạp, chẳng hạn như điều khiển vòng kín mức chất lỏng của bơm bùn tro và điều chỉnh áp suất ổn định trong máy nén khí.
   • Tích hợp liền mạch với DCS (Hệ thống điều khiển phân tán) nâng cao mức độ tự động hóa của tổ máy. Ví dụ, sau khi cải tạo bơm bùn tro tại một nhà máy điện thuộc Tập đoàn Guodian, bộ điều khiển PID kỹ thuật số tích hợp trong biến tần đã đạt được khả năng điều khiển mức chất lỏng tự động, tối ưu hóa quy trình sản xuất.
4. Khả năng thích ứng lưới được tăng cường:
   • Hoạt động độc lập với dung lượng lưới, cho phép khởi động ổn định các động cơ lớn ngay cả trong điều kiện lưới kém.
   • Cung cấp bù công suất phản kháng, cải thiện hệ số công suất lưới và giảm tổn thất đường dây. Ví dụ, công nghệ VSV của Xi'an Xima Electric cho phép chuyển đổi chế độ kép giữa vận hành biến tần và bù công suất phản kháng, tăng cường khả năng sử dụng thiết bị.

III. Các tình huống ứng dụng điển hình và nghiên cứu điển hình

1. Ngành công nghiệp điện:
   • Cải tạo biến tần bơm ngưng tụ: Sơ đồ "một biến tần - hai bơm" (một bộ biến tần duy nhất điều khiển hai bơm) giúp tiết kiệm năng lượng và dự phòng. Ví dụ, sau khi cải tạo tại Công ty Phát điện Panshan, dòng điện hoạt động của bơm ngưng tụ giảm từ 250,5A xuống các giá trị được điều chỉnh động trong quá trình vận hành biến tần, với tỷ lệ tiết kiệm năng lượng vượt quá 30%.
   • Tối ưu hóa điều chỉnh tốc độ bơm bùn tro: Tốc độ động cơ được điều chỉnh động dựa trên mức chất lỏng của bể trước, giảm khởi động/dừng thường xuyên và ứng suất động cơ liên quan. Sau khi cải tạo tại một nhà máy điện thuộc Tập đoàn Guodian, sự ổn định hoạt động của bơm bùn tro được cải thiện đáng kể, giảm chi phí bảo trì.
2. Ngành công nghiệp hóa dầu và luyện kim:
   • Nâng cấp tiết kiệm năng lượng máy nén khí: Bộ khởi động mềm biến tần "một biến tần - hai máy nén" cho phép khởi động không theo thứ tự và chuyển đổi liền mạch giữa hai máy nén. Ví dụ, bộ khởi động mềm biến tần JD-BP38 series của New Wind Light Electronic sử dụng công nghệ dịch chuyển điểm trung tính để đảm bảo điện áp đầu ra cân bằng trong trường hợp thiết bị hỏng, đảm bảo sự ổn định của hệ thống.
   • Điều chỉnh tốc độ cho quạt và tải bơm: Biến tần đạt được điều khiển vòng kín lưu lượng và áp suất trong quạt và bơm, loại bỏ tổn thất tiết lưu và cải thiện hiệu quả hệ thống.
3. Ngành hàng không vũ trụ và quân sự:
   • Yêu cầu khởi động độ tin cậy cao: Hệ thống khởi động biến tần cao áp của Xi'an Xima Electric đã được chứng nhận bởi các viện nghiên cứu hàng không quân sự, đáp ứng các yêu cầu khởi động động cơ nghiêm ngặt trong môi trường khắc nghiệt và thể hiện sự trưởng thành và độ tin cậy về mặt kỹ thuật.

IV. Lựa chọn kỹ thuật và khuyến nghị triển khai

1. Lựa chọn cấu trúc liên kết biến tần:
   • Cấu trúc kẹp điểm trung tính ba mức: Thích hợp cho các tình huống công suất cao (ví dụ: động cơ trên 570kW), có ít thiết bị chuyển mạch hơn, khả năng quá dòng mạnh và cấu trúc đơn giản, đáng tin cậy. Ví dụ, việc cải tạo bơm bùn tro của Tập đoàn Guodian đã chọn cấu trúc liên kết ba mức dựa trên IGCT để đáp ứng các yêu cầu khởi động bánh đà và bảo vệ quá tải.
   • Cấu trúc nhiều tầng nối tiếp ô: Lý tưởng cho các tình huống có yêu cầu sóng hài lưới nghiêm ngặt, loại bỏ sự cần thiết của bộ lọc đầu ra và cho phép điều khiển trực tiếp các động cơ không đồng bộ tiêu chuẩn. Ví dụ, bộ khởi động mềm biến tần của New Wind Light Electronic áp dụng cấu trúc này để đầu ra hài thấp.
2. Cấu hình chức năng điều khiển:
   • Khả năng điều khiển vòng kín: Ưu tiên các biến tần hỗ trợ điều chỉnh PID và điều khiển vòng kín áp suất/mực chất lỏng để đáp ứng nhu cầu tối ưu hóa quy trình.
   • Giao diện và giao thức truyền thông: Đảm bảo khả năng tương thích với các giao thức chính như Modbus và Profibus để tích hợp liền mạch với hệ thống DCS/PLC.
   • Chức năng bảo vệ: Trang bị bảo vệ quá dòng, quá tải, thiếu điện áp, quá áp, mất pha và ngắn mạch để tăng cường an toàn hệ thống.
3. Quản lý nhiệt và thiết kế bảo vệ môi trường:
   • Hệ thống làm mát: Biến tần cao áp tạo ra nhiệt đáng kể và yêu cầu hệ thống làm mát bằng không khí cưỡng bức hoặc làm mát bằng nước để duy trì nhiệt độ môi trường dưới 40°C. Ví dụ, Công ty Phát điện Panshan đã trang bị cho phòng biến tần của mình một hệ thống làm mát bằng cách sử dụng tản nhiệt và tuần hoàn nước làm mát để tản nhiệt.
   • Xếp hạng bảo vệ: Chọn biến tần có xếp hạng bảo vệ IP54 trở lên để chịu được môi trường công nghiệp khắc nghiệt.