1. Introducción
Una conocida empresa química nacional, en respuesta a los objetivos nacionales de 'Pico de Carbono y Neutralidad de Carbono' y considerando su estado de producción, planeó implementar un proyecto de ahorro de energía, reducción de emisiones y expansión de capacidad para su unidad de producción de policarbonato. Esto incluyó la conversión del compresor de vapor MVR originalmente impulsado por vapor a uno eléctrico.
El sistema compresor de vapor MVR fue impulsado originalmente por una turbina de vapor de alta velocidad (denominada turbina de vapor), conectada directamente al eje impulsor del compresor centrífugo de alta velocidad, como se muestra en la Figura 1a. Los principales desafíos durante la modernización del compresor 'de vapor a eléctrico' fueron los siguientes:
(1) La implementación de una conversión de accionamiento eléctrico utilizando un motor tradicional requeriría agregar componentes como una caja de engranajes que aumenta la velocidad, una estación de lubricación y un engranaje giratorio (como se muestra en la Figura 1b a continuación), lo que requeriría la demolición y modernización de los cimientos de la turbina de vapor existente. Esto requeriría rediseño y verificación del sistema de vibración torsional, lo que resultaría en un largo ciclo de modernización, alta intensidad de construcción y problemas como baja eficiencia del sistema de transmisión, alto consumo de energía y altos costos de mantenimiento.
(2) La adopción del modelo de 'Motor de alta velocidad + variador de media tensión de alta frecuencia' (como se muestra en la Figura 1c) podría utilizar la base de la turbina de vapor existente para la modernización, lo que haría menos difícil la implementación del proyecto. Sin embargo, esta ruta técnica plantea desafíos importantes para la evaluación de viabilidad.
(3) Los sistemas de accionamiento directo de gran capacidad y alta velocidad representan una dirección tecnológica avanzada en el campo de los accionamientos eléctricos. La resistencia estructural de los motores de alta velocidad, el rendimiento de los variadores de alta frecuencia de los variadores de media tensión, la seguridad y la confiabilidad están a la vanguardia de la tecnología de la industria.
Figura 1 Diagrama de la estructura de accionamiento del compresor de vapor MVR antes y después de la modernización
Como proyecto de renovación técnica crucial para el ahorro de energía, la reducción de carbono, la expansión de la capacidad y la mejora de la eficiencia, tanto la ruta tradicional 'Accionamiento de media tensión + Motor estándar + Caja de cambios con aumento de velocidad' como la ruta avanzada 'Motor de alta velocidad + Accionamiento de media tensión de alta frecuencia' presentaron dificultades técnicas o de implementación.
A la luz de esto, después de una investigación exhaustiva, la organización implementadora finalmente decidió adoptar la ruta técnica avanzada 'Motor síncrono de imán permanente de alta velocidad + variador de voltaje medio de alta frecuencia'. Los parámetros de los equipos de soporte se muestran en la siguiente tabla:
2. Análisis de dificultades técnicas clave
Normalmente, el rango de frecuencia de salida de los variadores de media tensión es de 0 a 120 Hz, mientras que la frecuencia nominal del motor de alta velocidad que respalda este proyecto es de 253,33 Hz, con una frecuencia operativa máxima de 260 Hz. Esto significa que el variador de media tensión debe poseer la capacidad de excitación para salida de alta frecuencia a 260 Hz y más . Esto no es simplemente una simple duplicación de la frecuencia de la salida; impone mayores exigencias a la frecuencia de muestreo de la señal del variador, la frecuencia de la portadora de salida, la velocidad de comunicación del sistema, la potencia de cálculo del control principal y los algoritmos de control, la supresión de las pérdidas de conmutación de alta frecuencia del dispositivo de potencia y la optimización de la simulación térmica de las celdas de energía.
2.1 Detección de la posición del rotor del motor síncrono de imán permanente (PMSM) en reposo
Cuando gira el rotor de un motor síncrono de imán permanente, se genera una fuerza electromagnética inducida en el lado del estator. El variador puede obtener el ángulo de posición del rotor en tiempo real mediante el bloqueo de fase de este EMF inducido. Sin embargo, cuando un PMSM está parado, la correspondencia entre la posición de los polos magnéticos del rotor y los polos magnéticos del estator es aleatoria (como se muestra en la Figura 2).
Sin realizar la detección de la posición de parada del rotor, aplicando directamente un voltaje trifásico al estator, mientras el campo magnético del estator y el campo magnético del rotor son aleatorios, esto podría causar que el motor arranque en reversa y, en casos severos, provocar una sobrecorriente de salida del variador y daños a la transmisión mecánica. Para evitar estas situaciones, al arrancar un motor síncrono, primero se debe detectar la posición inicial del rotor PMSM. Después de obtener la posición inicial del rotor, se aplica una tensión trifásica en fase con el ángulo del rotor para arrancar el motor.
Figura 2 Incertidumbre de la posición de los polos magnéticos del rotor en relación con los polos magnéticos del estator en reposo
Para abordar esto, Nancal Electric desarrolló tecnología de detección de la posición del rotor en reposo para PMSM en escenarios de control sin sensores de velocidad . La dificultad de esta tecnología radica en que el software requiere una base basada en 'algoritmos de control vectorial' y el hardware que requiere que el variador posea capacidades de procesamiento y muestreo de corriente y voltaje del lado de salida de alta precisión para identificar con precisión variaciones débiles en las señales de muestreo del lado del motor.
Esta tecnología logra un error de precisión de detección de la posición inicial del rotor de <3 ° . El ángulo del vector de voltaje inicial de la salida del variador comienza desde el ángulo de posición del rotor, evitando la inversión de arranque y la sobrecorriente. La siguiente figura muestra las formas de onda de voltaje, velocidad y corriente durante el inicio con esta tecnología. Como puede verse, el variador de frecuencia acciona el motor suavemente, sin sobrepasos de voltaje o corriente.
Figura 3 Formas de onda de voltaje, velocidad y corriente durante el inicio
2.2 Tecnología de muestreo de alta velocidad con accionamiento de frecuencia ultraalta
Cuando un motor de alta velocidad funciona a 260 Hz, cada ciclo dura solo 3,85 ms (T = 1/260 ≈ 3,85 ms). En comparación con las condiciones de conducción de un variador de media tensión de uso general a 50 Hz (20 ms por ciclo), lograr el mismo rendimiento de control requiere que el ciclo de muestreo sea más de 5 veces más rápido . Por lo tanto, en comparación con los motores con una frecuencia nominal convencional de frecuencia de potencia, accionar motores de alta frecuencia requiere muestreo y control de mayor frecuencia para garantizar la velocidad de respuesta dinámica de la salida del variador.
Mientras tanto, los componentes de muestreo de voltaje y corriente de la unidad deben poseer características de alto ancho de banda (>100kHz) y baja latencia (<1μs); el tiempo de conversión del ADC y el retardo del circuito de acondicionamiento de señal del sistema de control principal deben controlarse estrictamente; los algoritmos de control del sistema de control principal deben completar las transformadas de Park/Clarke, la regulación PI, la generación de PWM, etc., dentro de un único ciclo de control, lo que impone exigencias extremadamente altas en el rendimiento en tiempo real.
2.3 Tecnología de modulación de portadora PWM de salida de alta frecuencia
Cuando se acciona un motor a 260 Hz, si la relación de portadora (frecuencia portadora/frecuencia de funcionamiento) es demasiado baja (p. ej., <20), se producirá un aumento significativo de los armónicos de corriente, lo que afectará la suavidad y la eficiencia del par. Para reducir la ondulación de la corriente y mejorar la precisión del control, es necesario aumentar la frecuencia de la portadora PWM. Sin embargo, el aumento de la frecuencia portadora da como resultado mayores pérdidas de conmutación del dispositivo de potencia y tensión du/dt. Por lo tanto, seleccionar racionalmente la frecuencia portadora PWM e implementar modulación de salida en diferentes rangos de frecuencia operativa es una estrategia para abordar el control de salida de alta frecuencia de los variadores.
Los variadores de media tensión de la serie NC HVVF, con su estructura en serie de celdas, logran una salida de portadora de alta frecuencia en el lado del motor a través de dos tecnologías: frecuencia portadora PWM de celda y superposición de desplazamiento de fase en serie de celdas . Esto cumple con los requisitos de precisión del control en condiciones de salida de alta frecuencia del variador y suprime eficazmente las pérdidas de conmutación de los dispositivos de potencia, satisfaciendo escenarios de aplicación para el funcionamiento del variador de alta frecuencia de 120-260 Hz.
2.4 Impacto de la velocidad de comunicación de la celda de energía y el control principal en la unidad de alta frecuencia
La velocidad de comunicación entre el sistema de control principal del variador y las celdas de potencia también es un factor crucial para los variadores de media tensión para motores de alta frecuencia. La frecuencia portadora PWM de alta frecuencia requiere que el sistema de control principal proporcione señales de comando de conmutación IGBT de alta resolución a todas las celdas de energía a través de una comunicación de alta velocidad. Esto garantiza que el circuito puente inversor IGBT de cada celda de potencia pueda encenderse y apagarse con precisión.
En comparación con la velocidad de comunicación de 1-2MHz de las unidades de uso general, las unidades de voltaje medio aplicadas en motores de alta frecuencia deben adoptar enlaces de fibra óptica de comunicación de alta velocidad con velocidades superiores a 10MHz y capacidades de procesamiento FPGA de alta velocidad . A través de la tecnología de modulación de portadora, tecnología de compensación de tiempo muerto, cambio de fase de portadora y otras tecnologías, se logra la transmisión de alta velocidad de señales de accionamiento para cada celda de energía, evitando de manera efectiva problemas como salidas de celda no sincronizadas causadas por grandes retrasos en la comunicación o ancho de banda insuficiente, que podrían resultar en corrientes circulantes y desequilibrios de voltaje.
2.5 Demandas de la unidad de alta frecuencia en la potencia informática de control principal
Los variadores de media tensión de alta frecuencia no solo imponen mayores exigencias en el muestreo de salida del variador, la frecuencia portadora del variador IGBT y la comunicación de fibra óptica celular, sino que también imponen requisitos más altos en la velocidad de procesamiento y la potencia de cálculo de punto flotante del sistema de control principal del variador de media tensión.
La plataforma de hardware de control principal de los variadores de media tensión de la serie NC HVVF adopta una placa de control principal de triple núcleo integrada 'DSP + FPGA + ARM' , superando las limitaciones en el rendimiento de procesamiento impuestas por la arquitectura del bus de plano posterior de los gabinetes de control principales tradicionales montados en bastidor. El chip de control principal presenta una alta frecuencia de reloj ( ≥500 MHz ) y una unidad de punto flotante (FPU) de hardware , lo que le permite adaptarse mejor y satisfacer las demandas de control de las unidades de alta frecuencia.
3. Resultados de la aplicación
Los variadores de media tensión de la serie NC HVVF proporcionados por Nancal Electric brindaron un excelente rendimiento del variador de alta frecuencia y un rendimiento de control de seguridad del sistema para el PMSM de alta velocidad en el proyecto de modernización de 'vapor a eléctrico' del compresor de vapor MVR de una unidad de producción de policarbonato, brindando soporte técnico altamente confiable y sostenible para la modernización del proyecto. Desde que se pusieron en funcionamiento en junio de 2023, han funcionado de forma continua y estable durante más de 20 000 horas sin fallas ni paradas no planificadas , desempeñando un papel importante para ayudar al cliente a lograr ahorros de energía, mejoras de eficiencia y garantizar beneficios de producción.
El monitoreo de los datos de operación del variador se muestra en la siguiente figura:
Figura 4 Pantalla de monitoreo de datos de operación de la unidad en sitio
4. Conclusión
Del análisis anterior, es evidente que los variadores de media tensión para motores de alta frecuencia difieren significativamente de los variadores de media tensión de uso general en términos de hardware, comunicación, control de portadora y algoritmos. Las unidades de alta frecuencia imponen mayores exigencias a la plataforma de desarrollo de hardware del producto y a la potencia informática del software en tecnologías clave como la plataforma de control principal, el muestreo de señales, la unidad electrónica de potencia, la comunicación celular, etc. Para aplicaciones de motores síncronos de alta velocidad, se imponen requisitos integrales de 'alta precisión, gran ancho de banda, alta sincronización y alta potencia informática' a las unidades de media tensión.
Los principales avances tecnológicos residen en:
(1) Detección del ángulo de posición inicial del rotor en reposo;
(2) Arquitectura de comunicación y muestreo de gran ancho de banda y baja latencia;
(3) Equilibrio óptimo entre la frecuencia portadora PWM y las pérdidas de conmutación;
(4) Algoritmos de control de vectores diseñados para PMSM de alta frecuencia.
Para satisfacer las demandas de las aplicaciones de tecnologías de accionamiento de media tensión y alta frecuencia para motores de alta velocidad, se requiere optimización colaborativa a nivel de sistema, integrando accionamientos electrónicos de potencia de alta potencia, una plataforma de control principal integrada de triple núcleo y algoritmos de control vectorial dinámicamente optimizados de alto ancho de banda . Esto permite un arranque preciso, un control estable y un funcionamiento confiable del PMSM de alta velocidad en escenarios de media tensión y alta potencia.