Analyse des solutions techniques pour le démarrage à fréquence variable des moteurs haute tension

La technologie de démarrage à fréquence variable pour les moteurs haute tension, qui permet un démarrage progressif, un arrêt progressif et une régulation de vitesse en continu en ajustant la tension et la fréquence d'entrée des moteurs, est devenue une technologie clé pour améliorer l'efficacité opérationnelle des équipements et réduire la consommation d'énergie dans l'industrie moderne. L'analyse suivante couvre quatre dimensions clés : principes techniques, principaux avantages, scénarios d'application typiques et recommandations de sélection technique.

I. Principes techniques et voies de mise en œuvre

Le démarrage à fréquence variable haute tension est basé sur le principe de conversion AC-DC-AC, le processus principal étant divisé en trois étapes :

1. Étape de rectification: Le courant alternatif haute tension (par exemple, 6 kV/10 kV) est converti en courant continu haute tension via des ponts redresseurs à diodes ou à thyristors haute puissance, fournissant une source d'alimentation stable pour l'inversion ultérieure.
2. Étape de filtrage: Un circuit de filtrage composé de condensateurs ou d'inductances élimine les harmoniques dans l'alimentation CC, assurant une forme d'onde lisse et une entrée CC de haute qualité pour l'étape d'inversion.
3. Étape d'inversion: Des dispositifs de commutation à grande vitesse comme les IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) convertissent l'alimentation CC en courant alternatif triphasé à fréquence et tension réglables. La technologie PWM (Pulse Width Modulation) contrôle avec précision la forme d'onde de sortie pour entraîner le moteur selon les besoins.

Noyau de contrôle: Les DSP (Digital Signal Processors) ou les microprocesseurs surveillent l'état de fonctionnement du moteur en temps réel et ajustent dynamiquement la fréquence et la tension de sortie pour obtenir un contrôle de vitesse en boucle fermée. Par exemple, dans une modernisation à fréquence variable d'une pompe à condenseur, un capteur de niveau d'eau de type pression fournit une rétroaction en temps réel sur le niveau de liquide de l'avant-bassin, permettant au contrôleur PID intégré du variateur de fréquence d'ajuster automatiquement la fréquence de sortie pour un contrôle précis du niveau.

II. Principaux avantages et valeur technique

1. Démarrage progressif et arrêt progressif:
   • Élimine le courant d'appel lors du démarrage direct (qui peut atteindre 4 à 7 fois le courant nominal), prolongeant la durée de vie des moteurs et des équipements du réseau.
   • Réduit les chocs mécaniques, protégeant les roulements de moteur, les engrenages et autres composants de transmission, et réduisant les coûts de maintenance.
   • Par exemple, le système de démarrage à fréquence variable haute tension de Xi'an Xima Electric permet aux moteurs de démarrer au courant et au couple nominaux, éliminant les fluctuations de tension et améliorant considérablement la fiabilité des équipements.
2. Économie d'énergie et réduction de la consommation:
   • La régulation de vitesse en continu assure une adaptation optimale de la puissance entre les moteurs et les charges, évitant les inefficacités des « moteurs surdimensionnés ».
   • Les données empiriques indiquent que la régulation de vitesse à fréquence variable permet d'économiser au moins 30 % d'énergie. Par exemple, Tianjin Datang International Panshan Power Generation Company a modernisé les pompes à condenseur sur des unités de 600 MW, réduisant la consommation d'énergie d'un seul moteur de 2 500 kW à son niveau de fonctionnement réel, ce qui a permis d'importantes économies d'énergie.
3. Optimisation des processus et intégration de l'automatisation:
   • La régulation de vitesse de haute précision répond aux exigences de processus complexes, telles que le contrôle en boucle fermée des niveaux de liquide de l'avant-bassin dans les pompes à boues de cendres et la régulation de pression stable dans les compresseurs d'air.
   • L'intégration transparente avec les DCS (Distributed Control Systems) améliore les niveaux d'automatisation des unités. Par exemple, après la modernisation des pompes à boues de cendres dans une centrale électrique du groupe Guodian, le contrôleur PID numérique intégré au variateur de fréquence a permis un contrôle automatique du niveau de liquide, optimisant ainsi les processus de production.
4. Adaptabilité améliorée au réseau:
   • Fonctionne indépendamment de la capacité du réseau, permettant le démarrage stable de gros moteurs même dans de mauvaises conditions de réseau.
   • Fournit une compensation de la puissance réactive, améliorant les facteurs de puissance du réseau et réduisant les pertes en ligne. Par exemple, la technologie VSV de Xi'an Xima Electric permet une commutation en mode double entre le fonctionnement à fréquence variable et la compensation de la puissance réactive, améliorant ainsi l'utilisation des équipements.

III. Scénarios d'application typiques et études de cas

1. Industrie de l'énergie:
   • Modernisation à fréquence variable de la pompe à condenseur: Un schéma « un variateur-deux pompes » (une seule unité à fréquence variable entraînant deux pompes) permet des économies d'énergie et une redondance. Par exemple, après la modernisation à Panshan Power Generation Company, le courant de fonctionnement des pompes à condenseur est passé de 250,5 A à des valeurs ajustées dynamiquement pendant le fonctionnement à fréquence variable, avec un taux d'économie d'énergie supérieur à 30 %.
   • Optimisation de la régulation de vitesse de la pompe à boues de cendres: La vitesse du moteur est ajustée dynamiquement en fonction des niveaux de liquide de l'avant-bassin, réduisant les démarrages/arrêts fréquents et les contraintes associées sur le moteur. Après la modernisation dans une centrale électrique du groupe Guodian, la stabilité opérationnelle des pompes à boues de cendres s'est considérablement améliorée, réduisant les coûts de maintenance.
2. Industries pétrochimique et métallurgique:
   • Mises à niveau d'économie d'énergie des compresseurs d'air: Un démarreur progressif à fréquence variable « un variateur-deux compresseurs » permet un démarrage désordonné et une commutation transparente entre deux compresseurs. Par exemple, le démarreur progressif à fréquence variable de la série JD-BP38 de New Wind Light Electronic utilise la technologie de déplacement du point neutre pour assurer une tension de sortie équilibrée en cas de défaillance de l'unité, garantissant ainsi la stabilité du système.
   • Régulation de vitesse pour les ventilateurs et les charges de pompes: Les variateurs de fréquence permettent un contrôle en boucle fermée du débit et de la pression dans les ventilateurs et les pompes, éliminant les pertes par étranglement et améliorant l'efficacité du système.
3. Industries aérospatiale et militaire:
   • Exigences de démarrage à haute fiabilité: Le système de démarrage à fréquence variable haute tension de Xi'an Xima Electric a été certifié par des instituts de recherche aéronautique militaire, répondant aux exigences de démarrage des moteurs rigoureuses dans des environnements difficiles et démontrant la maturité technique et la fiabilité.

IV. Recommandations de sélection technique et de mise en œuvre

1. Sélection des topologies de variateurs de fréquence:
   • Structure à trois niveaux à point neutre pincé: Convient aux scénarios de forte puissance (par exemple, moteurs de plus de 570 kW), avec moins de dispositifs de commutation, une forte capacité de surintensité et une structure simple et fiable. Par exemple, la modernisation de la pompe à boues de cendres du groupe Guodian a sélectionné une topologie à trois niveaux basée sur IGCT pour répondre aux exigences de démarrage à volant et de protection contre les surcharges.
   • Structure multiniveau en série de cellules: Idéale pour les scénarios avec des exigences harmoniques de réseau strictes, éliminant le besoin de filtres de sortie et permettant l'entraînement direct de moteurs asynchrones standard. Par exemple, le démarreur progressif à fréquence variable de New Wind Light Electronic adopte cette structure pour une sortie à faibles harmoniques.
2. Configuration des fonctions de contrôle:
   • Capacité de contrôle en boucle fermée: Donnez la priorité aux variateurs de fréquence prenant en charge la régulation PID et le contrôle en boucle fermée de la pression/des niveaux de liquide pour répondre aux besoins d'optimisation des processus.
   • Interfaces et protocoles de communication: Assurez la compatibilité avec les protocoles courants comme Modbus et Profibus pour une intégration transparente avec les systèmes DCS/PLC.
   • Fonctions de protection: Équipez-vous d'une protection contre les surintensités, les surcharges, les sous-tensions, les surtensions, les pertes de phase et les courts-circuits pour améliorer la sécurité du système.
3. Gestion thermique et conception de protection de l'environnement:
   • Systèmes de refroidissement: Les variateurs de fréquence haute tension génèrent une chaleur importante et nécessitent des systèmes de refroidissement à air forcé ou à eau pour maintenir les températures ambiantes en dessous de 40 °C. Par exemple, Panshan Power Generation Company a équipé sa salle de variateurs de fréquence d'un système de refroidissement utilisant des dissipateurs thermiques et de l'eau de refroidissement en circulation pour dissiper la chaleur.
   • Indices de protection: Sélectionnez des variateurs de fréquence avec un indice de protection IP54 ou supérieur pour résister aux environnements industriels difficiles.