Zusammenfassung: Hochspannungs-Frequenzumrichter mit neuartigen Hochspannungs- und Hochleistungselektronikbauteilen sowie einem direkten „Hoch-Hoch“-Modus zeichnen sich durch geringe Größe, hohen Wirkungsgrad, einfache Struktur und zuverlässigen Betrieb aus. Der Frequenzumrichter nutzt eine ungesteuerte 24-Puls-Phasenschiebergleichrichtung und vollgesteuerte Schaltelemente zur Schaltmodulation und bietet einen hohen Leistungsfaktor auf der Eingangsseite sowie exzellente Drehzahl- und Drehmomentregelung. Durch die Änderung der Motorbetriebsfrequenz erreicht der Hochspannungs-Frequenzumrichter eine effiziente Drehzahlregelung über einen weiten Drehzahlbereich, was zu erheblichen Energieeinsparungen führt. Dies wurde bereits bei der energetischen Nachrüstung von Ventilatoren und Wasserpumpen vielfach bestätigt. Schlüsselwörter: Hochspannungs-Frequenzumrichter 1 Einleitung Hochspannungs-Frequenzumrichter mit neuartigen Hochspannungs- und Hochleistungselektronikbauteilen sowie einem direkten „Hoch-Hoch“-Modus zeichnen sich durch geringe Größe, hohen Wirkungsgrad, einfache Struktur und zuverlässigen Betrieb aus. Der Frequenzumrichter nutzt eine ungesteuerte 24-Puls-Phasenschiebergleichrichtung und vollgesteuerte Schaltelemente zur Schaltmodulation und bietet einen hohen Leistungsfaktor auf der Eingangsseite sowie exzellente Drehzahl- und Drehmomentregelung. Hochspannungs-Frequenzumrichter ermöglichen durch die Änderung der Betriebsfrequenz von Motoren eine effiziente Drehzahlregelung über einen weiten Drehzahlbereich und erzielen so hervorragende Energieeinsparungen. Dies wurde bereits vielfach bei der energetischen Nachrüstung von Ventilatoren und Wasserpumpen nachgewiesen. Die Blöcke 3 und 4 des Kraftwerks Shuangyashan sind 210-MW-Wärmekraftwerke und mit sechs 6-kV/570-kW-Schlammpumpenmotoren (Modell JS512-8, Nennstrom 69 A, Nenndrehzahl 730 U/min) ausgestattet. Die Schlammpumpe Nr. 6 ist eine zweistufige Pumpe, die zusammen mit der Schlammpumpe Nr. 5 eingesetzt wird. Vor der Installation des Frequenzumrichters wurden Start und Stopp der Schlammpumpe Nr. 6 durch den Flüssigkeitsstand im Vorbecken gesteuert. Dies führte zu zwei Problemen: Erstens musste der Motor, um den Anforderungen des Produktionsprozesses gerecht zu werden, täglich je nach Flüssigkeitsstand im Vorbecken und Bedarf der Aschespülleitung ein- und ausgeschaltet werden. Dies führte zu einer ungenauen Flüssigkeitsstandregelung im Vorbecken und einer erheblichen Belastung des Motors durch die häufigen Netzfrequenzstarts. Zweitens entstanden Drosselverluste, die zu Energieverschwendung führten. Um die Betriebsbedingungen der Schlammpumpe weiter zu optimieren und Energie zu sparen, wurde der Motor der Schlammpumpe Nr. 6 mittels Hochspannungs-Frequenzumrichter modifiziert. Nach der Modifizierung des Hochspannungs-Frequenzumrichters konnte die Höhe des Flüssigkeitsstands im Vorbecken durch Anpassen der Betriebsfrequenz (Motordrehzahl) des Frequenzumrichters der Schlammpumpe Nr. 6 reguliert werden. Auf diese Weise kann die Schlammpumpe Nr. 5 stets mit optimaler Effizienz bei Netzfrequenz arbeiten. Dadurch wird die Anzahl der Schaltvorgänge der Schlammpumpe Nr. 6 reduziert, die Auswirkungen des Motoranlaufs bei Netzfrequenz minimiert, der Produktionsprozess weiter optimiert und Energie gespart. 2 Betriebsprozess der Schlammpumpe und technische Lösung zur Frequenzumwandlungsmodifikation 2.1 Betrieb der Schlammpumpe Nr. 6 und technische Lösung zur Frequenzumwandlungsmodifikation (1) Am Einsatzort der Schlammpumpe kommt es häufig zu einphasiger Erdung oder direkter einphasiger Erdung des Hochspannungskabels zwischen Frequenzumrichter und Motor. In diesem Fall muss sichergestellt werden, dass der Frequenzumrichter nicht beschädigt wird und ein Alarmsignal zur Abschaltung ausgibt, damit das Personal vor Ort rechtzeitig reagieren kann. Daher muss der Ausgang des Frequenzumrichters einphasig erdfest sein, und der Neutralpunkt des Ausgangsfilterkondensators des entsprechenden Frequenzumrichters darf nicht direkt geerdet werden, sondern muss über den Kondensator geerdet werden. (2) Da es sich bei der Schlammpumpe Nr. 6 um eine Sekundärpumpe handelt, läuft die primäre Schlammpumpe Nr. 5 üblicherweise bereits, bevor der Frequenzumrichter der Schlammpumpe Nr. 6 gestartet wird. Dieser treibt den Motor der Schlammpumpe Nr. 6 an. Der Frequenzumrichter arbeitet im Prinzip wie ein Schnellstarter. Daher muss er beim Anlauf die Motorfrequenz in Echtzeit erfassen und den Motor entsprechend anlaufen lassen. (3) Der Betrieb des Frequenzumrichters der Schlammpumpe Nr. 6 erfordert eine Regelung des Flüssigkeitsstands im Vorbecken und eine automatische Anpassung der Motordrehzahl. (4) Da die Schlammpumpe bei sehr niedrigem Flüssigkeitsstand im Vorbecken während des Betriebs überlastet werden oder sogar stillstehen kann, muss der Frequenzumrichter über eine Überlastfähigkeit und einen Überstromschutz verfügen. Unter Berücksichtigung der genannten Faktoren wurde von den beiden wichtigsten Hochspannungsumrichtertopologien im In- und Ausland die dreistufige Neutralpunktklemm-Topologie auf Basis eines integrierten IGCT (Integrated Grid Carrier) ausgewählt. Die dreistufige Topologie bietet folgende Vorteile: weniger Schaltelemente, hoher IGCT-Schaltstrom, hohe Überstromfestigkeit, einfacher Aufbau, hohe Zuverlässigkeit und Eignung für Anwendungen mit hohen Lastspitzen. Zur Steuerung ist im Vorbecken der Schlammpumpe ein Druckwasserstandssensor installiert, der das gemessene Wasserstandssignal in ein 4-20-mA-Standardsignal umwandelt und dieses über die Stromschleifenschnittstelle an den Frequenzumrichter sendet. Der Frequenzumrichter berechnet die Abweichung zwischen dem aktuellen und dem Soll-Wasserstand und passt die Ausgangsfrequenz über den integrierten digitalen PID-Regler an, um die Motordrehzahl und damit die Höhe des Vorbeckens der Schlammpumpe zu regeln. 2.2 Prinzipschaltbild der dreistufigen Neutralpunktklemmung: Der auf der dreistufigen IGCT-Neutralpunktklemmung basierende Hochspannungs-Frequenzumrichter zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus und besteht im Wesentlichen aus Gleichrichter, Wechselrichter und Filter. Der Gleichrichter arbeitet mit einer 24-Puls-Gleichrichtung ohne Phasenverschiebung. Er besteht aus einem 24-Puls-Phasenverschiebungstransformator mit 15° Phasenverschiebung und einer vierfachen Dreiphasen-Gleichrichterbrücke, die die Anforderungen an die Stromoberschwingungen am Eingang erfüllt. Der Zwischenkreis umfasst eine Gleichtaktdrossel, einen IGCT-Schutz, einen Ladestrombegrenzungswiderstand und einen Gleichstromkondensator (C1, C2). Der Dreistufen-Wechselrichter besteht aus einer di/dt-Absorptionsschaltung (Anodenreaktanz und Klemmschaltung) und einer Dreistufen-Wechselrichterbrücke mit 12 IGCT-Komponenten. Der Dreistufen-Wechselrichter soll einen 6-kV-Motor ansteuern, daher muss die Zwischenkreisspannung des Wechselrichters 10 kV betragen. Im Betrieb müssen die beiden Leistungskomponenten im ausgeschalteten Zustand 10 kV aushalten, d. h. jede Komponente muss 5 kV aushalten. Da der Hauptschalttransistor IGCT nur eine Betriebsspannung von 4,5 kV aufweist, müssen zwei IGCTs in Reihe geschaltet werden, um eine Leistungskomponente zu bilden. Der integrierte Ausgangsfilter des Wechselrichters besteht aus dreiphasigen Filterreaktanzen (La, Lb, Lc) und dreiphasigen Filterkondensatoren (Ca, Cb, Cc, Cn). Der Filter bewirkt, dass die vom Wechselrichter zum Motor ausgegebenen Spannungs- und Stromwellenformen einer Sinuswelle angenähert werden, wodurch eine Motorleistungsreduzierung entfällt. Der Hochspannungswechselrichter arbeitet ohne Sicherungen; der Hauptschutz des Stromkreises wird primär durch die Schutz-IGCTs mit einer Ansprechzeit im Mikrosekundenbereich gewährleistet. 2.3 Verbesserung des Steuerungssystems für Hochspannungs-Frequenzumrichter der neuen Generation: Der Frequenzumrichter der ersten Generation unseres Unternehmens nutzte einen Industrie-PC zur Signalverarbeitung, was keine Echtzeitsteuerung ermöglichte. Da der Frequenzumrichter zur Motorsteuerung einen optimierten PWM-Regelalgorithmus benötigt, erfordert die Hauptsteuerung des Systems eine höhere Betriebsgeschwindigkeit und Rechenleistung, einen größeren Speicher, externe Signalverarbeitungsschnittstellen sowie Gleitkommaarithmetik. Daher kombiniert die neue Generation von Frequenzumrichtern einen Gleitkomma-Digitalprozessor (DSP) mit einem FPGA (Finite-Scale Integrated Circuit). Der DSP ist hauptsächlich für die Informationserfassung und -verarbeitung zuständig, während der FPGA die Verarbeitungsergebnisse in entsprechende Steuerimpulse umwandelt und so die Echtzeitsteuerung deutlich verbessert. 3 Phase II 6# Mörtelpumpen-Hochspannungs-Frequenzumrichter: Inbetriebnahme, Betrieb und Energiesparanalyse vor Ort 3.1 Steuerung und Inbetriebnahme des Frequenzumrichtersystems Die Fördermenge der Mörtelpumpe wird entsprechend der Anlagenlast und den Anforderungen des Aschespülprozesses geregelt. Die Wasserfördermenge variiert stark, zeigt mitunter einen stufenförmigen Verlauf, und der Wasserstand schwankt erheblich. Der Wasserstandssensor muss an einem geeigneten Messpunkt platziert werden; andernfalls kann es aufgrund von Wasserströmungsfaktoren und Oberflächenschwankungen im Becken zu Messinstabilitäten kommen. Nach Tests vor Ort wurde ein Standort nahe der Beckenwand mit minimalen Wasserdurchflussschwankungen ausgewählt. Nach der Fehlersuche wurden ein geeignetes Modell und die PID-Reglerparameter festgelegt. Durch die Nachführung der Wasserstandsänderungen im geschlossenen Regelkreis konnte die Flüssigkeitshöhe im Vorbecken stabil geregelt und somit der Produktionsprozess optimiert werden. Zusätzlich kann der Frequenzumrichter auch im offenen Regelkreis betrieben werden, wobei seine Ausgangsfrequenz über das DCS-Signal des Kraftwerks gesteuert wird. 3.2 Energiesparanalyse des Frequenzumrichters Ein wichtiger Grund für die Nachrüstung der Schlammpumpe Phase II Nr. 6 mit einem Frequenzumrichter war die Energieeinsparung. Das Prinzip der Energieeinsparung durch Motorfrequenzumwandlung ist in zahlreichen Dokumenten beschrieben und wird hier nicht weiter erläutert. Die Tabellen 1 und 2 veranschaulichen die Energieeinsparung durch Frequenzumwandlung anhand von Messdaten aus dem Betrieb der Schlammpumpe Phase II Nr. 6 im Bypass- und Frequenzumwandlungsbetrieb. Den obigen Daten zufolge können durch die Umstellung auf Frequenzumrichterbetrieb 9380 - 6360 = 3020 kWh Strom innerhalb von 24 Stunden eingespart werden. Die Energieeinsparung durch den Frequenzumrichter beträgt 32 %. Aus den vorliegenden Betriebsdaten geht hervor, dass der Motorfrequenzumrichterbetrieb nicht nur die Prozessanforderungen erfüllt, sondern auch eine signifikante Stromeinsparung ermöglicht. Nach mehrmonatigem Dauerbetrieb ist der Energieeinsparungseffekt der Frequenzumrichter-Nachrüstung der Schlammpumpe Nr. 6 in Phase II deutlich sichtbar. Schlammpumpen sind Standardausrüstung in Wärmekraftwerken, die jährlich über lange Zeiträume in Betrieb sind und Kraftwerken ca. 15–30 % ihrer Energie einsparen können. 4. Fazit: Durch die Umrüstung auf Frequenzumrichter optimierten die Schlammpumpen im Kraftwerk Shuangyashan Phase II ihren Betriebs- und Produktionsprozess, stabilisierten den Flüssigkeitsstand im Vorbecken besser, erreichten eine automatische Regelung im geschlossenen Regelkreis und sparten eine signifikante Strommenge ein, was einen klaren Energieeinsparungseffekt belegt. Die Steuerungssysteme und -technologien von Hochspannungs-Frequenzumrichtern entwickeln sich rasant, und eine verbesserte Motorsteuerung erfordert eine leistungsfähigere Hauptsteuerungsplattform. Obwohl die neue Generation von Hochspannungs-Frequenzumrichtern zunächst für Frequenzumrichterantriebe von Ventilatoren und Wasserpumpen eingesetzt wurde, ist sie zuverlässiger und bietet eine verbesserte Steuerungsleistung im Vergleich zu ihren Vorgängern.