1. مقدمه
یک شرکت شیمیایی شناخته شده داخلی در پاسخ به اهداف ملی «پیک کربن و بیطرفی کربن» و با توجه به وضعیت تولید خود، طرح صرفهجویی در مصرف انرژی، کاهش انتشار و افزایش ظرفیت را برای واحد تولید پلیکربنات خود در نظر گرفت. این شامل تبدیل کمپرسور بخار اصلی بخار MVR به درایو الکتریکی بود.
سیستم کمپرسور بخار MVR در ابتدا توسط یک توربین بخار پرسرعت (که به آن توربین بخار گفته می شود) هدایت می شد که به طور مستقیم به محور محرک کمپرسور گریز از مرکز با سرعت بالا متصل می شد، همانطور که در شکل 1a نشان داده شده است. چالشهای اصلی در طول بازسازی کمپرسور «بخار به برق» به شرح زیر بود:
(1) اجرای تبدیل درایو الکتریکی با استفاده از یک موتور سنتی مستلزم افزودن اجزایی مانند جعبه دنده افزایش سرعت، ایستگاه روغن کاری و چرخ دنده (همانطور که در شکل 1b در زیر نشان داده شده است)، نیاز به تخریب و مقاوم سازی پایه توربین بخار موجود دارد. این امر مستلزم طراحی مجدد و تأیید سیستم ارتعاش پیچشی است که منجر به یک چرخه مقاوم سازی طولانی، شدت ساخت بالا و مسائلی مانند راندمان کم سیستم انتقال، مصرف انرژی بالا و هزینه های بالای نگهداری می شود.
(2) اتخاذ مدل 'موتور پرسرعت + درایو ولتاژ متوسط فرکانس بالا' (همانطور که در شکل 1c نشان داده شده است) می تواند از پایه توربین بخار موجود برای مقاوم سازی استفاده کند و اجرای پروژه را کمتر دشوار کند. با این حال، این مسیر فنی چالش های قابل توجهی برای ارزیابی امکان سنجی ایجاد می کند.
(3) سیستم های هدایت مستقیم پرسرعت با ظرفیت بالا نشان دهنده یک جهت فناوری پیشرفته در زمینه درایوهای الکتریکی است. استحکام ساختاری موتورهای پرسرعت، عملکرد درایو با فرکانس بالا درایوهای ولتاژ متوسط، ایمنی و قابلیت اطمینان همه در خط مقدم فناوری صنعت هستند.
شکل 1 نمودار ساختار محرک کمپرسور بخار MVR قبل و بعد از مقاوم سازی
به عنوان یک پروژه نوسازی فنی حیاتی برای صرفه جویی در انرژی، کاهش کربن، افزایش ظرفیت و بهبود بهره وری، هر دو مسیر سنتی 'محرک ولتاژ متوسط + موتور استاندارد + گیربکس افزایش سرعت' و مسیرهای پیشرفته 'موتور پرسرعت + درایو ولتاژ متوسط فرکانس بالا' مشکلات فنی یا اجرایی را ارائه کردند.
با توجه به این موضوع، پس از بررسی های گسترده، سازمان مجری در نهایت تصمیم گرفت مسیر فنی پیشرفته 'موتور سنکرون آهنربای دائمی پرسرعت + درایو ولتاژ متوسط فرکانس بالا' را اتخاذ کند. پارامترهای تجهیزات پشتیبانی در جدول زیر نشان داده شده است:
2. تجزیه و تحلیل مشکلات فنی کلیدی
به طور معمول، محدوده فرکانس خروجی درایوهای ولتاژ متوسط 0-120 هرتز است، در حالی که فرکانس نامی موتور پرسرعت که از این پروژه پشتیبانی می کند 253.33 هرتز با حداکثر فرکانس کاری 260 هرتز است. این بدان معناست که درایو ولتاژ متوسط باید دارای قابلیت رانندگی برای خروجی فرکانس بالا در 260 هرتز و بالاتر باشد . این فقط یک دوبرابر کردن فرکانس ساده خروجی نیست. تقاضای بالاتری برای نرخ نمونهبرداری سیگنال درایو، فرکانس حامل خروجی، سرعت ارتباط سیستم، قدرت محاسباتی کنترل اصلی و الگوریتمهای کنترل، کاهش تلفات سوئیچینگ فرکانس بالا دستگاه قدرت، و بهینهسازی شبیهسازی حرارتی سلولهای قدرت دارد.
2.1 تشخیص موقعیت روتور موتور سنکرون مغناطیس دائمی (PMSM) در حالت سکون
هنگامی که یک روتور موتور سنکرون آهنربای دائم می چرخد، یک EMF القایی در سمت استاتور ایجاد می شود. درایو می تواند زاویه موقعیت روتور بلادرنگ را از طریق قفل شدن فاز این EMF القایی بدست آورد. با این حال، هنگامی که یک PMSM در حالت سکون است، مطابقت بین موقعیت قطب مغناطیسی روتور و قطب های مغناطیسی استاتور تصادفی است (همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است).
بدون انجام تشخیص وضعیت سکون روتور، اعمال مستقیم ولتاژ سه فاز به استاتور، در حالی که میدان مغناطیسی استاتور و میدان مغناطیسی روتور تصادفی هستند، این می تواند باعث شود موتور به صورت معکوس روشن شود و در موارد شدید، منجر به اضافه جریان خروجی درایو و آسیب به گیربکس مکانیکی شود. برای جلوگیری از این شرایط، هنگام راه اندازی یک موتور سنکرون، ابتدا باید موقعیت اولیه روتور PMSM شناسایی شود. پس از به دست آوردن موقعیت اولیه روتور، یک ولتاژ سه فاز در فاز با زاویه روتور برای راه اندازی موتور اعمال می شود.
شکل 2 عدم قطعیت موقعیت قطب مغناطیسی روتور نسبت به قطب های مغناطیسی استاتور در حالت سکون
برای رفع این مشکل، Nancal Electric فناوری تشخیص موقعیت روتور در حالت سکون را برای PMSM در سناریوهای کنترل بدون سنسور سرعت توسعه داد . دشواری این فناوری در نرمافزاری است که به پایهای مبتنی بر «الگوریتمهای کنترل برداری» و سختافزاری نیاز دارد که درایو را به داشتن ولتاژ و جریان خروجی با دقت بالا و قابلیتهای نمونهبرداری و پردازش برای شناسایی دقیق تغییرات ضعیف در سیگنالهای نمونهگیری سمت موتور نیاز دارد.
این فناوری به خطای دقت تشخیص موقعیت اولیه روتور کمتر از 3 درجه دست می یابد . زاویه بردار ولتاژ اولیه خروجی درایو از زاویه موقعیت روتور شروع می شود و از معکوس شدن راه اندازی و جریان اضافه جلوگیری می کند. شکل زیر شکل موج ولتاژ، سرعت و جریان را در هنگام راه اندازی با استفاده از این فناوری نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود، درایو فرکانس، موتور را به آرامی، بدون اضافه شدن ولتاژ یا جریان به حرکت در می آورد.
شکل 3 شکل موج ولتاژ، سرعت و جریان در هنگام راه اندازی
2.2 فناوری نمونه برداری با سرعت بالا با فرکانس فوق العاده بالا
هنگامی که یک موتور پرسرعت در 260 هرتز کار می کند، هر چرخه فقط 3.85 میلی ثانیه است (T=1/260≈3.85ms). در مقایسه با شرایط رانندگی یک درایو ولتاژ متوسط همه منظوره با فرکانس 50 هرتز (20 میلی ثانیه در هر چرخه)، دستیابی به عملکرد کنترلی یکسان مستلزم این است که چرخه نمونه برداری بیش از 5 برابر سریعتر باشد . بنابراین، در مقایسه با موتورهای با فرکانس نامی متداول فرکانس توان، راندن موتورهای فرکانس بالا نیازمند نمونه برداری و کنترل فرکانس بالاتری برای اطمینان از سرعت پاسخ دینامیکی خروجی درایو است.
در همین حال، اجزای نمونه گیری ولتاژ و جریان درایو باید دارای ویژگی های پهنای باند بالا (> 100 کیلوهرتز) و تاخیر کم (<1μs) باشند. زمان تبدیل ADC و تاخیر مدار تهویه سیگنال سیستم کنترل اصلی باید به شدت کنترل شود. الگوریتمهای کنترلی سیستم کنترل اصلی باید تبدیلهای پارک/کلارک، تنظیم PI، تولید PWM و غیره را در یک چرخه کنترل کامل کنند، و تقاضاهای بسیار بالایی را برای عملکرد بلادرنگ ایجاد کنند.
2.3 فناوری مدولاسیون حامل PWM با فرکانس بالا
هنگام رانندگی موتور در 260 هرتز، اگر نسبت حامل (فرکانس حامل / فرکانس کاری) خیلی کم باشد (به عنوان مثال، <20)، منجر به افزایش قابل توجهی در هارمونیک های جریان می شود که بر صافی گشتاور و راندمان تأثیر می گذارد. برای کاهش ریپل جریان و بهبود دقت کنترل، فرکانس حامل PWM باید افزایش یابد. با این حال، افزایش فرکانس حامل منجر به افزایش تلفات سوئیچینگ دستگاه قدرت و تنش du/dt میشود. بنابراین، انتخاب منطقی فرکانس حامل PWM و اجرای مدولاسیون خروجی در محدودههای فرکانس کاری مختلف، یک استراتژی برای رسیدگی به کنترل خروجی فرکانس بالا درایوها است.
درایوهای ولتاژ متوسط سری NC HVVF، با ساختار سری سلولی خود، خروجی حامل فرکانس بالا را در سمت موتور از طریق دو فناوری به دست می آورند: فرکانس حامل PWM سلولی و برهم نهی تغییر فاز سری سلولی . این الزامات دقت کنترل را در شرایط خروجی فرکانس بالا درایو برآورده میکند و به طور موثر تلفات سوئیچینگ دستگاههای برق را سرکوب میکند و سناریوهای کاربردی را برای عملکرد درایو با فرکانس بالا 120-260 هرتز برآورده میکند.
2.4 تاثیر سلول قدرت و سرعت ارتباط کنترل اصلی بر درایو فرکانس بالا
سرعت ارتباط بین سیستم کنترل اصلی درایو و سلول های قدرت نیز یک عامل مهم برای درایوهای ولتاژ متوسط برای موتورهای فرکانس بالا است. فرکانس حامل PWM فرکانس بالا به سیستم کنترل اصلی نیاز دارد تا سیگنال های فرمان سوئیچینگ IGBT با وضوح بالا را از طریق ارتباطات پرسرعت به تمام سلول های قدرت ارائه دهد. این تضمین می کند که مدار پل اینورتر IGBT هر سلول قدرت می تواند دقیقا روشن و خاموش شود.
در مقایسه با سرعت ارتباطی 1 تا 2 مگاهرتز درایوهای همه منظوره، درایوهای ولتاژ متوسط اعمال شده در موتورهای فرکانس بالا نیاز به استفاده از پیوندهای فیبر نوری ارتباطی با سرعت بالا با سرعت بالای 10 مگاهرتز و قابلیتهای پردازش FPGA با سرعت بالا دارند . از طریق فناوری مدولاسیون حامل، فناوری جبران زمان مرده، تغییر فاز حامل و سایر فناوریها، انتقال سیگنالهای درایو با سرعت بالا برای هر سلول قدرت به دست میآید و به طور موثر از مسائلی مانند خروجیهای سلول غیرهمگام ناشی از تاخیرهای ارتباطی زیاد یا پهنای باند ناکافی، که میتواند منجر به عدم تعادل جریانهای گردشی و عدم تعادل شود، جلوگیری میکند.
2.5 نیازهای درایو فرکانس بالا در قدرت محاسباتی کنترل اصلی
درایوهای ولتاژ متوسط درایو فرکانس بالا نه تنها تقاضاهای بالاتری را برای نمونهبرداری خروجی درایو، فرکانس حامل درایو IGBT و ارتباطات فیبر نوری سلولی ایجاد میکنند، بلکه الزامات بالاتری را بر سرعت پردازش و توان محاسباتی ممیز شناور سیستم کنترل اصلی درایو ولتاژ متوسط تحمیل میکنند.
پلت فرم اصلی سخت افزار کنترل درایوهای ولتاژ متوسط سری NC HVVF از برد کنترل اصلی سه هسته ای یکپارچه 'DSP + FPGA + ARM' استفاده می کند که بر محدودیت های عملکرد پردازش تحمیل شده توسط معماری باس هواپیمای کابینت های کنترل اصلی قفسه ای سنتی غلبه می کند. تراشه کنترل اصلی دارای فرکانس ساعت بالا ( ≥500MHz ) و یک واحد نقطه شناور سخت افزاری (FPU) است که آن را قادر می سازد تا بهتر با نیازهای کنترلی درایوهای فرکانس بالا سازگار شود و پاسخگوی آن باشد.
3. نتایج برنامه
درایوهای ولتاژ متوسط سری NC HVVF ارائه شده توسط Nancal Electric عملکرد عالی درایو فرکانس بالا و عملکرد کنترل ایمنی سیستم را برای PMSM پرسرعت در پروژه مقاوم سازی کمپرسور بخار MVR 'بخار به برق' یک واحد تولید پلی کربنات ارائه کردند و پشتیبانی فنی بسیار قابل اعتماد و پایداری را برای پروژه ارائه کردند. از زمان بهره برداری در ژوئن 2023، آنها به طور مداوم و پایدار بیش از 20000 ساعت بدون خرابی یا خاموش شدن برنامه ریزی نشده کار کرده اند و نقش مهمی در کمک به مشتری در دستیابی به صرفه جویی در انرژی، بهبود بهره وری و اطمینان از مزایای تولید دارند.
نظارت بر داده های عملکرد درایو در شکل زیر نشان داده شده است:
شکل 4 صفحه نظارت بر داده های عملیات درایو در محل
4. نتیجه گیری
از تجزیه و تحلیل بالا، مشهود است که درایوهای ولتاژ متوسط برای موتورهای فرکانس بالا به طور قابل توجهی با درایوهای ولتاژ متوسط همه منظوره از نظر سخت افزار، ارتباطات، کنترل حامل و الگوریتم ها متفاوت است. درایوهای فرکانس بالا تقاضاهای بیشتری را برای پلت فرم توسعه سخت افزار محصول و قدرت محاسباتی نرم افزار در فناوری های کلیدی مانند پلت فرم کنترل اصلی، نمونه گیری سیگنال، درایو الکترونیک قدرت، ارتباطات سلولی و غیره دارند.
پیشرفت های کلیدی فناوری در موارد زیر نهفته است:
(1) تشخیص زاویه موقعیت اولیه روتور در حالت سکون.
(2) نمونه برداری و معماری ارتباطی با پهنای باند بالا، تاخیر کم.
(3) تعادل بهینه بین فرکانس حامل PWM و تلفات سوئیچینگ.
(4) الگوریتم های کنترل برداری که برای PMSM فرکانس بالا طراحی شده است.
برای برآورده ساختن نیازهای کاربردی فناوریهای درایو ولتاژ متوسط فرکانس بالا برای موتورهای پرسرعت، بهینهسازی مشارکتی در سطح سیستم، ادغام درایوهای الکترونیکی با قدرت بالا، پلتفرم کنترل اصلی یکپارچه سه هستهای و الگوریتمهای کنترل بردار بهینهسازی شده پویا با پهنای باند بالا مورد نیاز است . این امکان راه اندازی دقیق، کنترل پایدار و عملکرد قابل اعتماد PMSM پرسرعت را در سناریوهای ولتاژ متوسط و توان بالا فراهم می کند.