تحليل الحلول التقنية لبدء تشغيل المحركات عالية الجهد بتردد متغير

أصبحت تقنية البدء بتردد متغير للمحركات عالية الجهد، والتي تحقق بدءًا سلسًا وتوقفًا سلسًا وتنظيمًا للسرعة بدون خطوات عن طريق تعديل جهد وتردد إدخال المحركات، تقنية أساسية لتعزيز كفاءة تشغيل المعدات وتقليل استهلاك الطاقة في الصناعة الحديثة. يغطي التحليل التالي أربعة أبعاد رئيسية: المبادئ الفنية، والمزايا الأساسية، وسيناريوهات التطبيق النموذجية، وتوصيات الاختيار الفني.

أولاً: المبادئ الفنية ومسارات التنفيذ

يعتمد بدء التشغيل بتردد متغير عالي الجهد على مبدأ تحويل التيار المتردد إلى التيار المستمر إلى التيار المتردد، مع تقسيم العملية الأساسية إلى ثلاث خطوات:

1. مرحلة التقويم: يتم تحويل التيار المتردد عالي الجهد (مثل 6 كيلو فولت / 10 كيلو فولت) إلى تيار مستمر عالي الجهد عبر جسور مقوم ثنائي أو ثايرستور عالية الطاقة، مما يوفر مصدر طاقة مستقرًا للتحويل اللاحق.
2. مرحلة الترشيح: تعمل دائرة المرشح المكونة من المكثفات أو المحاثات على إزالة التوافقيات في طاقة التيار المستمر، مما يضمن شكل موجة سلسًا وإدخال تيار مستمر عالي الجودة لمرحلة التحويل.
3. مرحلة التحويل: تقوم أجهزة التبديل عالية السرعة مثل IGBTs (الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة) بتحويل طاقة التيار المستمر إلى طاقة تيار متردد ثلاثية الطور قابلة للتعديل في التردد والجهد. تتحكم تقنية PWM (تعديل عرض النبضة) بدقة في شكل الموجة الناتج لتشغيل المحرك حسب الحاجة.

التحكم الأساسي: تراقب DSPs (معالجات الإشارات الرقمية) أو المعالجات الدقيقة حالة تشغيل المحرك في الوقت الفعلي وتعدل ديناميكيًا التردد والجهد الناتج لتحقيق التحكم في السرعة في حلقة مغلقة. على سبيل المثال، في عملية تعديل التردد المتغير لمضخة المكثف، يوفر مستشعر مستوى المياه من النوع المضغوط تغذية مرتدة في الوقت الفعلي حول مستوى سائل الحوض الأمامي، مما يمكّن وحدة التحكم PID المدمجة في محرك التردد المتغير من ضبط التردد الناتج تلقائيًا للتحكم الدقيق في المستوى.

ثانيًا: المزايا الأساسية والقيمة الفنية

1. البدء السلس والتوقف السلس:
   • يزيل تيار الاندفاع أثناء البدء المباشر (والذي يمكن أن يصل إلى 4-7 أضعاف التيار المقنن)، مما يطيل عمر المحركات ومعدات الشبكة.
   • يقلل من الصدمات الميكانيكية، مما يحمي محامل المحركات والتروس ومكونات النقل الأخرى، ويقلل من تكاليف الصيانة.
   • على سبيل المثال، يتيح نظام بدء التشغيل بتردد متغير عالي الجهد من شركة Xi'an Xima Electric للمحركات البدء عند التيار والعزم المقنن، مما يلغي تقلبات الجهد ويحسن بشكل كبير موثوقية المعدات.
2. الحفاظ على الطاقة وتقليل الاستهلاك:
   • يضمن تنظيم السرعة بدون خطوات مطابقة الطاقة المثلى بين المحركات والأحمال، وتجنب أوجه القصور في "المحرك كبير الحجم".
   • تشير البيانات التجريبية إلى أن تنظيم سرعة التردد المتغير يحقق ما لا يقل عن 30٪ من توفير الطاقة. على سبيل المثال، قامت شركة Tianjin Datang International Panshan Power Generation Company بتعديل مضخات المكثف على وحدات 600 ميجاوات، مما أدى إلى تقليل استهلاك الطاقة لمحرك واحد من 2500 كيلو واط إلى مستوى التشغيل الفعلي، مما أدى إلى توفير كبير في الطاقة.
3. تحسين العملية وتكامل الأتمتة:
   • يلبي تنظيم السرعة عالي الدقة متطلبات العمليات المعقدة، مثل التحكم في الحلقة المغلقة في مستويات السائل الأمامي في مضخات ملاط الرماد وتنظيم الضغط المستقر في ضواغط الهواء.
   • يعزز التكامل السلس مع أنظمة التحكم الموزعة (DCS) مستويات أتمتة الوحدة. على سبيل المثال، بعد تعديل مضخات ملاط الرماد في محطة طاقة تابعة لمجموعة Guodian Group، حققت وحدة التحكم PID الرقمية المدمجة في محرك التردد المتغير التحكم التلقائي في مستوى السائل، مما أدى إلى تحسين عمليات الإنتاج.
4. تعزيز القدرة على التكيف مع الشبكة:
   • يعمل بشكل مستقل عن سعة الشبكة، مما يتيح بدء تشغيل مستقر للمحركات الكبيرة حتى في ظل ظروف الشبكة السيئة.
   • يوفر تعويضًا للطاقة التفاعلية، مما يحسن معاملات القدرة في الشبكة ويقلل من فقدان الخطوط. على سبيل المثال، تتيح تقنية VSV من شركة Xi'an Xima Electric التبديل المزدوج الوضع بين تشغيل التردد المتغير وتعويض الطاقة التفاعلية، مما يعزز استخدام المعدات.

ثالثًا: سيناريوهات التطبيق النموذجية ودراسات الحالة

1. صناعة الطاقة:
   • تعديل التردد المتغير لمضخة المكثف: يحقق مخطط "محرك واحد - مضختان" (وحدة تردد متغير واحدة تقود مضختين) توفيرًا للطاقة والتكرار. على سبيل المثال، بعد التعديل في شركة Panshan Power Generation Company، انخفض تيار التشغيل لمضخات المكثف من 250.5 أمبير إلى قيم معدلة ديناميكيًا أثناء تشغيل التردد المتغير، مع معدل توفير للطاقة يتجاوز 30٪.
   • تحسين تنظيم سرعة مضخة ملاط الرماد: يتم تعديل سرعة المحرك ديناميكيًا بناءً على مستويات السائل الأمامي، مما يقلل من عمليات البدء/الإيقاف المتكررة والإجهاد المرتبط بالمحرك. بعد التعديل في محطة طاقة تابعة لمجموعة Guodian Group، تحسنت الاستقرار التشغيلي لمضخات ملاط الرماد بشكل كبير، مما أدى إلى خفض تكاليف الصيانة.
2. الصناعات البتروكيماوية والتعدينية:
   • ترقيات توفير الطاقة لضاغط الهواء: يتيح البدء الناعم بتردد متغير "محرك واحد - ضاغطان" بدءًا غير منظم وتبديلًا سلسًا بين ضاغطين. على سبيل المثال، يستخدم المشغل الناعم بتردد متغير من سلسلة JD-BP38 من New Wind Light Electronic تقنية تحويل النقطة المحايدة لضمان جهد خرج متوازن أثناء أعطال الوحدة، مما يضمن استقرار النظام.
   • تنظيم السرعة للأحمال المروحة والمضخة: تحقق محركات التردد المتغير التحكم في الحلقة المغلقة للتدفق والضغط في المراوح والمضخات، مما يلغي خسائر الخنق ويحسن كفاءة النظام.
3. صناعات الفضاء والدفاع:
   • متطلبات البدء عالية الموثوقية: تم اعتماد نظام بدء التشغيل بتردد متغير عالي الجهد من شركة Xi'an Xima Electric من قبل معاهد أبحاث الطيران العسكرية، مما يلبي متطلبات بدء تشغيل المحركات الصارمة في البيئات القاسية ويوضح النضج الفني والموثوقية.

رابعًا: توصيات الاختيار الفني والتنفيذ

1. اختيار طوبولوجيا محرك التردد المتغير:
   • هيكل ثلاثي المستويات مثبت عند النقطة المحايدة: مناسب لسيناريوهات الطاقة العالية (مثل المحركات التي تزيد عن 570 كيلو واط)، ويتميز بعدد أقل من أجهزة التبديل، وقدرة قوية على التيار الزائد، وهيكل بسيط وموثوق به. على سبيل المثال، اختار تعديل مضخة ملاط الرماد لمجموعة Guodian Group طوبولوجيا ثلاثية المستويات قائمة على IGCT لتلبية متطلبات بدء التشغيل بالطيران ووقاية من الحمل الزائد.
   • هيكل متعدد المستويات من سلسلة الخلايا: مثالي للسيناريوهات التي تتطلب متطلبات توافقية صارمة للشبكة، مما يلغي الحاجة إلى مرشحات الإخراج وتمكين القيادة المباشرة للمحركات غير المتزامنة القياسية. على سبيل المثال، يعتمد المشغل الناعم بتردد متغير من New Wind Light Electronic هذا الهيكل لإخراج منخفض التوافقيات.
2. تكوين وظيفة التحكم:
   • قدرة التحكم في الحلقة المغلقة: إعطاء الأولوية لمحركات التردد المتغير التي تدعم تنظيم PID والتحكم في الحلقة المغلقة للضغط/مستويات السائل لتلبية احتياجات تحسين العملية.
   • واجهات وبروتوكولات الاتصال: ضمان التوافق مع البروتوكولات السائدة مثل Modbus و Profibus للتكامل السلس مع أنظمة DCS/PLC.
   • وظائف الحماية: تجهيز الحماية من التيار الزائد والحمل الزائد والجهد المنخفض والجهد الزائد وفقدان الطور وقصر الدائرة لتعزيز سلامة النظام.
3. إدارة الحرارة وتصميم الحماية البيئية:
   • أنظمة التبريد: تولد محركات التردد المتغير عالية الجهد حرارة كبيرة وتتطلب أنظمة تبريد بالهواء القسري أو تبريد بالمياه للحفاظ على درجات الحرارة المحيطة أقل من 40 درجة مئوية. على سبيل المثال، قامت شركة Panshan Power Generation Company بتجهيز غرفة محرك التردد المتغير بنظام تبريد باستخدام أحواض الحرارة وتدوير مياه التبريد لتبديد الحرارة.
   • تصنيفات الحماية: حدد محركات التردد المتغير بتصنيف حماية IP54 أو أعلى لتحمل البيئات الصناعية القاسية.