Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Anwendung von Hochspannungs-Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung von Saugzugventilatoren in zirkulierenden Wirbelschichtanlagen und Primärluftventilatoren. Er vergleicht diese mit der herkömmlichen Regelung mittels Leitblechen und erläutert kurz das Grundprinzip und die anwendungstechnische Lösung von Hochspannungs-Frequenzumrichtern. Schlüsselwörter: Hochspannungs-Frequenzumrichter, Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung. I. Einleitung: Das Wärmekraftwerk Tarim der Xinjiang Agricultural First Division Power Company liegt 13 Kilometer von der Stadt Aksu entfernt. Die erste Phase des Heizkraftwerks wurde 1996 abgeschlossen. Die Gesamtleistung der Anlagen beträgt 2 × 12 MW, die Kapazität der beiden Kessel 2 × 75 t/h und die Gesamtheizfläche 1,25 Millionen Quadratmeter. Aufgrund der Stadterweiterung und des kontinuierlichen Bevölkerungswachstums kann das Kraftwerk den grundlegenden Heizbedarf der gesamten Stadt Aksu nicht mehr decken. Daher hat die durch die dezentrale Heizung in der gesamten Stadt Aksu verursachte Luftverschmutzung jeden Winter während der Heizperiode der physischen und psychischen Gesundheit der Bevölkerung erheblichen Schaden zugefügt. Aus diesem Grund hat die Energieversorgungsgesellschaft der Ersten Landwirtschaftlichen Division, mit dem Ziel, „den Menschen in Aksu durch eine zentrale Heizung Wärme und einen klaren Himmel zu ermöglichen“, den Bau des Wärmekraftwerks Tarim (Aksu) – ein Heizprojekt der zweiten Phase in der Umgebung von Aksu – aus eigener Tasche finanziert. Das Kraftwerk umfasst zwei Kessel und eine Gesamtheizfläche von 1,3 Millionen Quadratmetern. II. Technisches Gesamtkonzept des Heizsystems: Das gesamte technische Konzept basiert auf „Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung“, wobei umweltfreundliche und hocheffiziente Produkte Priorität haben und fortschrittliche, ausgereifte Technologien sowie ein zuverlässiger Produktbetrieb gefordert werden. Das Schema für die beiden Heizeinheiten ist wie folgt: 1. Der Heizkessel ist ein zirkulierender Wirbelschichtkessel vom Typ QXX75-1.6/130/80-AII der Tangshan Xinde Boiler Group. Zirkulierende Wirbelschichtkessel zeichnen sich durch hohe Effizienz, geringe Schadstoffbelastung und niedrige Kosten aus. Die zirkulierende Wirbelschichtverbrennung (CFB) ist international als saubere und effiziente Verbrennungstechnologie anerkannt. Die CFB-Verbrennung ist eine Technologie, die Elemente der Rostfeuerung und der Kammerverbrennung vereint und die Wirbelschichtverbrennung nutzt. Sie zeichnet sich durch hohe Anpassungsfähigkeit, hohe Verbrennungseffizienz, hohe Verbrennungsintensität, gleichmäßige Temperaturverteilung, effiziente Entschwefelung durch stufenweise Niedertemperaturverbrennung, geringe Stickoxidemissionen, einen großen Lastbereich, geringe Schadstoffemissionen und eine gute Asche- und Schlackenverwertung aus. Es handelt sich um einen umweltfreundlichen Kessel und einen neuen Kesseltyp, der vom Staat stark gefördert wird. Der Verbrennungsprozess verläuft wie folgt: Der Brennstoff wird über das Frontkohlefördersystem in den Brennraum eingeleitet. Das Luftzufuhrsystem besteht aus Primärluft (Wind) und Sekundärluft. Primärluft wird von unten in den Ofen geleitet und sorgt hauptsächlich für die Fluidisierung des Brennstoffbetts. Sekundärluft wird stufenweise an mehreren Stellen entlang der Brennkammer zugeführt, um den Sauerstoffgehalt im Ofen zu erhöhen und so die Verbrennung zu fördern. Das Verbrennungsmaterial wird in kleinere Partikel zerkleinert und gelangt zusammen mit dem Rauchgas in den Abscheider. Nach der Feststoff-Gas-Trennung werden die meisten Partikel über den Rücklaufschacht am Boden des Abscheiders in den Ofen zurückgeführt. Dadurch wird eine ausreichend hohe Aschekonzentration im Ofen sichergestellt, um die Fluidisierung zu gewährleisten. Das Rauchgas wird nach Durchlaufen eines Elektrofilters vom Saugzugventilator abgesaugt. 2. Der Saugzugventilatormotor (10 kV, 800 kW) und der Primärgebläsemotor (10 kV, 710 kW) werden von der Changsha Electric Machinery Factory hergestellt. Zwei Steuerungssysteme für jeden Motor basieren auf dem Hochspannungs-Frequenzumrichter Power Smart™ der Harbin Jiuzhou Electric Co., Ltd. und dienen der Regelung von Luftstrom und Druck des Ventilators. Wird die Durchflussrate im Lüftersystem durch Ändern der Klappenöffnung angepasst, entsteht zusätzlicher Druckverlust an der Klappe, was einen hohen Energieverbrauch zur Folge hat. Daher spart die Steuerung des Lüftersystems mittels Frequenzumrichter nicht nur Energie, sondern erhöht dank der hochpräzisen Regelung auch die Effizienz und Zuverlässigkeit des Systems. (Dies wird im Folgenden detailliert erläutert und ist auch Gegenstand dieses Artikels.) 3. Die Steuerungssysteme des Sekundärluftventilators (380 V, 250 kW), des Roots-Gebläses (380 V, 75 kW), der Umwälzpumpe (380 V, 500 kW) und der Kohleförderanlage (380 V, 55 kW) verwenden alle einen Niederspannungs-Frequenzumrichter der Eaton Corporation (USA). III. Voruntersuchung und Analyse von Hochspannungs-Frequenzumrichtern für die Steuerungssysteme von Abluftventilatoren und Hauptgebläsen: 1. Bei Verwendung von Niederspannungsmotoren (380 V, 800 kW und 380 V, 710 kW) für die Saugzugventilatoren und Hauptgebläse übersteigt deren Nennstrom 1.000 Ampere, und auch der Ausgangsstrom des Motorsteuerungssystems – des Niederspannungs-Frequenzumrichters – erreicht über 1.000 Ampere. Dies gibt Anlass zur Sorge hinsichtlich des langfristig zuverlässigen und stabilen Betriebs der Anlagen. 2. Da die Saugzugventilatoren und Hauptgebläse mit einer Sicherheitsreserve ausgelegt wurden, ist es nicht möglich, einen Zustand zu erreichen, in dem die Ventilatorklappen vollständig geöffnet sind und die Motorleistung den Nennwert erreicht. 3. Bei Anwendung der herkömmlichen Methode, d. h. Betrieb des Ventilators mit konstanter Drehzahl und Regelung von Luftmenge und -druck über die Ventilatorklappen, ergeben sich folgende Hauptnachteile: 3.1. Die Druckdifferenz vor und nach der Dämpfereinstellung erhöht sich, die Betriebssicherheit verschlechtert sich, der Druckverlust ist erheblich und der Energieverbrauch steigt. 3.2. Der Betrieb des Ventilators mit fester Drehzahl führt aufgrund der Dämpfereinstellung zu erheblichen Drosselverlusten, hohem Auslassdruck und geringer Systemeffizienz, was Energieverschwendung zur Folge hat. 3.3. Übermäßiger Kanaldruck gefährdet die Dichtheit der Systemkomponenten. 3.4. Eine dauerhafte Öffnung von 40–70 % beschleunigt den Dämpferverschleiß und verschlechtert die Dämpferregelung. 3.5. Kurze Lebensdauer der Anlagen, hoher täglicher Wartungsaufwand und hohe Reparaturkosten führen zu Ressourcenverschwendung. 3.6. Hohe Anlaufströme erfordern aufgrund des Bedarfs an erweiterter Kapazität der Stromverteilungsanlagen höhere Investitionen. 3.7. Die fehlende direkte Integration in das Prozessleitsystem (DCS) erschwert die automatisierte Steuerung und den Betrieb. IV. Technische Lösung des Hochspannungs-Frequenzumrichtersystems Power Smart™: 1. Systemaufbau: Das Hochspannungs-Frequenzumrichtersystem der Power Smart™-Serie besteht im Wesentlichen aus einem Phasenschieber-Trockentransformator-Gehäuse, einem Leistungselektronik-Gehäuse, einem Steuereinheit-Gehäuse, einem Fernbedienungs-Bedienfeld und einem Bypass-Schalter-Gehäuse. Die komplette Wechselrichtereinheit ist in der folgenden Abbildung dargestellt: 1.1 Spaltphasen-Trockentransformator: Der Spaltphasen-Trockentransformator ist das Eingangsbauteil des Wechselrichters und besteht im Allgemeinen aus einem Eisenkern, Eingangswicklung, Abschirmung, Ausgangswicklung, Lüfter, Überhitzungsschutz usw. Um Sicherheit, Staubschutz, Wartung und Ästhetik in Einklang zu bringen, ist er üblicherweise in einem Gehäuse untergebracht. Der im Hochspannungs-Wechselrichter der Power Smart™-Serie verwendete Transformator hat eine H-Pol-Isolationsklasse. Das Isoliermaterial besteht aus importierten, hochwertigen Produkten von DuPont, USA, mit einer Temperaturerhöhung von bis zu 155 °C; vakuumimprägniert und wartungsfrei. Die Primärwicklung des Transformators ist sternförmig geschaltet und befindet sich auf der innersten Seite. Die Sekundärwicklung befindet sich außen und ist entlang der Kante in Dreieckschaltung ausgeführt. Je nach Spannungsniveau sind üblicherweise 9, 18 oder 27 dreiphasige Sekundärwicklungen vorhanden. Zwischen Primär- und Sekundärwicklung befindet sich eine zusätzliche geerdete Schirmung. Die dreiphasigen Sekundärwicklungen lassen sich in drei Hauptgruppen unterteilen, die jeweils die drei Phasen im Transformatorgehäuse versorgen. Jede Wicklung innerhalb einer Hauptgruppe hat die gleiche Ausgangsspannungsamplitude, wobei die Phasenverschiebungen zwischen den Wicklungen 20°, 10° oder 6,6° betragen. Das Transformatorgehäuse ist mit einer Temperaturüberwachung ausgestattet, die bei Überschreitung der Warntemperatur eine Überhitzungswarnung und einen Überhitzungsfehler ausgibt. Ein Saugzugventilator auf dem Transformatorgehäuse sorgt für die Abfuhr der im Betrieb entstehenden Wärme. Staubfilter sind an den Gehäusetüren angebracht. Das äußere Erscheinungsbild des Spaltphasen-Trockentransformators ist in der folgenden Abbildung dargestellt: 1.2 Das Erscheinungsbild der Hauptsteuerung des Schaltschranks ist in der folgenden Abbildung dargestellt: Der Schaltschrank besteht im Wesentlichen aus einer Hauptsteuerung, einem Temperaturregler, einem Lüfterschutz, einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (optional mit Digitalanzeige und Farb-Touchscreen), einer SPS, einem eingebetteten Mikrocomputer, einem Schaltnetzteil, einem EMV-Modul, einem Trenntransformator, einem Luftschalter, einem Schütz, einem Relais, einem Analogmodul und einem Digitalmodul. Die Hauptsteuerung besteht aus einer Busplatine, einem Netzteil, einer CPU, einer Schnittstelleneinheit, dreiphasigen Steuereinheiten und Ein-/Ausgabe-Submodulen für digitale und analoge Größen. Sie ist das Steuerzentrum des Frequenzumrichters und besteht aus zwei DSPs und mehreren FPGAs, CLPDs usw. Sie überträgt PWM-Signale über hochwertige Glasfaser an die Leistungseinheit und gewährleistet so eine hochzuverlässige Steuerung. Der Temperaturregler kann mit drei Temperatursensoren verbunden werden, um die Temperatur des Schalttransformators zu messen und Alarm- oder Schutzfunktionen bereitzustellen. Drei Lüfterschutzschalter überwachen Phasenausfall, Überstrom usw. Zwei sind mit dem Leistungselektronikschrank und einer mit dem Schalttransformatorschrank verbunden. Die SPS verfügt über ein integriertes PID-Regelmodul und ein entsprechendes Programm für die Regelung im geschlossenen Regelkreis. Sie enthält außerdem analoge und digitale Eingangsmodule, deren Kanalanzahl an die Benutzeranforderungen angepasst werden kann. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) an der Vorderseite des Steuerschranks ermöglicht Einstellungen, Überwachung und Schaltvorgänge. Sie ist in zwei Ausführungen erhältlich: Digitalanzeige und Farb-Touchscreen, je nach Bedarf. 1.3 Leistungselektronikschrank: Der Leistungselektronikschrank besteht in der Regel aus ein bis zwei Schränken und enthält hauptsächlich Leistungselektronik, Stromwandler, Ausgangsspannungs-Erkennungseinheiten, Kanaldruck-Erkennungsgeräte und Hochspannungskabel. Das 10-kV-System umfasst insgesamt 27 Leistungselektronik, die gleichmäßig auf die drei Phasen (U, V, W von oben nach unten) verteilt sind. Jede Phase verfügt über neun in Reihe geschaltete Start- und Endphasen, die in Sternschaltung verbunden sind. Zwei Stromwandler dienen der Stromerfassung, -verarbeitung, -überwachung und Stromregelung. Sie sind in Reihe mit den U- und W-Phasen an den Sternpunkten der Leistungseinheiten geschaltet. Die Eingangsklemmen der Ausgangsspannungserfassungseinheit sind mit den drei sternförmig geschalteten Phasen verbunden, um die Ausgangsspannung und weitere Informationen zu erfassen. Ein Kanaldrucksensor überwacht den ungehinderten Kühlluftstrom in Echtzeit und zeigt den Druck dynamisch an. Zusammen mit dem Lüfterschutz und dem Temperaturregler bildet er das Kühlungsüberwachungssystem des Wechselrichters. Dies gewährleistet eine rechtzeitige Wärmeabfuhr und einen zuverlässigen Betrieb. 2. Funktionsprinzip: Das Leistungsmodul besteht aus Schaltungen für Gleichrichtung, Sanftanlauf, Filterung, Invertierung, Bypass, PWM-Erzeugung, Ansteuerung, Schutz und analoge Signalerfassung. Es handelt sich um einen dreiphasigen Niederspannungs-Eingangs- und einphasigen Niederspannungs-Ausgangs-PWM-Spannungswechselrichter mit Gleichrichterdioden und IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Thyristors). Aufgrund der Unabhängigkeit der Sekundärwicklung des Transformators ist der Hauptstromkreis jeder Leistungseinheit relativ unabhängig, ähnlich wie bei einem herkömmlichen Niederspannungs-Frequenzumrichter. Der Hochspannungs-Frequenzumrichter der Power Smart™-Serie nutzt die Reihenmultiplextechnik und gehört zur Gruppe der Hochspannungs-Frequenzumrichter mit Spannungsquelle. Er verwendet in Reihe geschaltete einphasige Niederspannungs-Frequenzumrichter, um die unzureichende Spannungsfestigkeit der IGBTs (Inertial-GBT-Leistungshalbleiter) auszugleichen. Die sogenannte Multiplextechnik bedeutet, dass jede Phase aus mehreren in Reihe geschalteten Niederspannungs-Leistungseinheiten besteht, die jeweils unabhängig von einem Phasenschiebertransformator mit mehreren Wicklungen versorgt werden. Am Beispiel des 10-kV-Hochspannungs-Frequenzumrichters lässt sich dies verdeutlichen: Die 10-kV-Serie umfasst 27 Leistungseinheiten, von denen jeweils neun in Reihe geschaltet sind und eine Phase bilden. Die Eingangsspannung jeder Einheit beträgt dreiphasig 650 V, die Ausgangsspannung einphasig 650 V. Durch die Reihenschaltung und Überlagerung der Einheiten kann die Ausgangsphasenspannung 5850 V erreichen. Bei einer Wechselrichter-Ausgangsfrequenz von 50 Hz weist die Phasenspannung eine 19-stufige Wellenform auf, wie in der Abbildung unten dargestellt. In der Abbildung sind UA1…UA9 die Ausgangsspannungen der neun Leistungseinheiten in Phase A, die, überlagert, die Ausgangsspannung UA0 des Wechselrichters für Phase A ergeben. Die Abbildung zeigt die Referenzspannung UAr für Phase A, die zur Erzeugung des PWM-Steuersignals verwendet wird; UA0 approximiert UAr sehr gut. UAF ist die Grundkomponente der Ausgangsspannung für Phase A.