Recondicionamento de Inversores de Alta Tensión en Centrais Eléctricas

1 Estructura Básica e Mecanismo de Funcionamento dos Inversores de Alta Tensión

1.1 Composición Modular

• Módulo Rectificador: Este módulo convirte a enerxía eléctrica de alta tensión AC en DC. A sección de rectificación consiste principalmente en tiristores, díodos ou outros dispositivos semiconductores de potencia para lograr a conversión de AC a DC. Ademais, a través dunha unidade de control, pode realizarse a regulación de voltagem e a compensación de potencia nun determinado rango.

• Módulo Filtro DC: A enerxía DC rectificada é procesada por un circuito de filtrado para suavizar as fluctuacións de voltagem, formando unha voltagem de bus DC estable. Esta voltagem non só proporciona soporte energético para a etapa inversora posterior, senón que tamén xoga un papel crucial na estabilidade da voltagem de saída e na capacidade de resposta dinámica.

• Módulo Inversor: A enerxía DC filtrada volve a converterse en enerxía AC no módulo inversor utilizando dispositivos semiconductores de potencia como IGBTs e tecnoloxía de modulación de anchura de pulso (PWM). Ajustando o ciclo de traballo e a frecuencia de conmutación do sinal PWM, o inversor pode controlar precisamente a amplitud e a frecuencia da enerxía AC de saída, satisfacendo as necesidades de diversos cargas como motores, ventiladores e bombas. Esta tecnoloxía permite que o inversor proporcione funcións como arranque suave, control de velocidade sin fin, condicións de funcionamento optimizadas e aforro de enerxía.

1.2 Mecanismo de Funcionamento

Os inversores de alta tensión utilizan unha topoloxía en cascada multinivel, producindo unha onda de saída que se aproxima moito a unha onda sinusoidal. Poden emitir directamente enerxía AC de alta tensión para accionar motores. Esta configuración elimina a necesidade de filtros adicionais ou transformadores de elevación e ofrece a vantaxe de un baixo contido harmónico. A velocidade do motor $n$ satisfai a seguinte ecuación:

Onde: $P$ é o número de pares de polos do motor; $f$ é a frecuencia de funcionamento do motor; $s$ é a taxa de deslizamento. Dado que a taxa de deslizamento é xeralmente pequena (xeralmente no rango de 0–0.05), o ajuste da frecuencia de alimentación do motor $f$ permite regular a súa velocidade real $n$. A taxa de deslizamento do motor $s$ está positivamente correlacionada coa intensidade da carga – canto maior a carga, maior será a taxa de deslizamento, resultando nunha diminución da velocidade real do motor.

1.3 Factores Clave na Selección Técnica

• Adecuación de Voltagem: Seleccione esquemas de adecuación apropiados como "Alto-Alto" ou "Alto-Baixo-Alto" baseándose na voltagem nominal do motor. Para motores con potencia superior a 1.000 kW, recoméndase o esquema "Alto-Alto". Para motores por debaixo de 500 kW, o esquema "Alto-Baixo-Alto" pode ser priorizado.

• Atenuación de Armónicos: Os armónicos xeran facilmente nos terminais de entrada e saída dos inversores de alta tensión. Para reducir o seu impacto, poden empregarse técnicas de multiplexación ou filtros adicionais. Configurando adequadamente os filtros, a distorsión harmónica pode controlarse dentro do 5%, logrando unha supresión eficaz de armónicos.

• Adaptabilidade Ambiental: Os inversores de alta tensión requiren sistemas de refrigeración por aire ou por auga para asegurar que a temperatura interna do armario de control permanece por debaixo dos 40°C. Xeralmente, instálanse deshumidificadores e unidades de aire acondicionado nos sitios de inversores. En áreas especiais sen aire acondicionado, deben considerarse as clasificacións de temperatura dos compoñentes durante o deseño, e aumentar a capacidade de ventilación dos sistemas de refrigeración para asegurar un funcionamento estable.

2 Exemplo de Aplicación de Inversores de Alta Tensión en Centrais Eléctricas

O sistema de enerxía dunha central eléctrica xeralmente inclúe equipos desde xeradores de turbina, calderas, tratamento de auga, transporte de carbón e sistemas de desulfurización. A sección de turbina fornece enerxía a bombas de alimentación e bombas de circulación, a sección de caldera proporciona ventiladores de sopro forzado (ventiladores primarios), ventiladores secundarios e ventiladores de extracción, mentres que a sección de transporte de carbón opera transportadores de correia. Utilizando inversores de alta tensión para o control de velocidade variable destes dispositivos baseándose nas variacións de carga, pode reducirse o consumo de enerxía, diminuíndo o consumo de enerxía auxiliar e mellorando a economía operativa.

Un proxecto de produção de níquel-ferro en Morowali, Indonesia, situado na illa de Sumatra, comisionou oito unidades xeradoras de 135 MW entre 2019 e 2023. Para optimizar ulteriormente as operacións internas e reducir os custos de produción, entre 2023 e 2024 implementáronse reformas técnicas que incluíron a instalación de inversores de alta tensión para as bombas de condensado das unidades 1, 2, 3, 4 e 7, así como para as bombas de alimentación das unidades 2 e 5.

2.1 Estado do Equipo

O proxecto utiliza un proceso pirometalúrgico de níquel-ferro con 25 liñas de produción, equipado con oito calderas de lecho fluidizado circulante Dongfang Electric DG440/13.8-II1 e oito conxuntos de turbinas de vapor de reaquecemento intermedio de 135 MW. Cada unidade está configurada con dúas bombas de condensado de frecuencia fixa, dúas bombas reguladas por acoplamentos hidráulicos e seis ventiladores regulados por acoplamentos hidráulicos.

As bombas de alimentación e os ventiladores están deseñados con redundancia, proporcionando unha capacidade de respaldo de 10%–20%. As unidades 5 e 6 operan en modo insular con unha taxa de carga aproximadamente do 70%. Optimizando a velocidade do motor para coincidir coas demandas de carga reais e incorporando a retroalimentación de enerxía de frenado regenerativo á rede, reduce-se o consumo de enerxía innecesario de ventiladores, bombas e outros equipos, minimizando adicionalmente as perdas de enerxía do sistema.

2.2 Esquema de Reforma

Baseándose nas condicións reais de funcionamento do equipo, implementáronse reformas de inversores de alta tensión para as bombas de alimentación e de condensado dos conxuntos xeradores de 135 MW.

• Reforma de Bombas de Alimentación: Adoptouse unha configuración "Automática Un-a-Un", onde cada bomba de alimentación está equipada con un inversor de alta tensión dedicado, incluíndo un armario de bypass para asegurar a fiabilidade do sistema.

• Reforma de Bombas de Condensado: Implementouse unha configuración "Un-a-Dous", onde dúas bombas de condensado comparten un inversor de alta tensión, equilibra a eficiencia e a rentabilidade.

Considerando o rango histórico máximo de temperaturas local de 23–32°C, seleccionáronse compoñentes para operar a unha temperatura ambiente de 40°C. Ademais, o deseño de exhausto forzado do armario de inversor foi axustado baseándose nunha temperatura de sala de 40°C para asegurar unha dissipación de calor efectiva, eliminando a necesidade dunha sala de inversores dedicada ou sistemas de aire acondicionado.

2.3 Avaliación de Beneficios Económicos

A inversión total para este proxecto de reforma foi de aproximadamente 6 millóns de RMB, incluíndo 5 millóns de RMB para equipos, 400.000 RMB para construción e 600.000 RMB para materiais auxiliares fornecidos polo cliente. Os cálculos mostran un beneficio anual de aforro de enerxía de 6,58 millóns de RMB, permitindo a recuperación da inversión en menos dun ano, logrando con éxito os obxectivos económicos esperados.

3 Conclusión

Con o rápido desenvolvemento da tecnoloxía de inversores de alta tensión, as súas aplicacións expandíronse rapidamente en varias industrias. Nos sistemas de produción de centrais eléctricas, debe promoverse activamente a tecnoloxía de inversores de alta tensión. Debe dar prioridade ás unidades con horas de funcionamento longas ou as que requiren urgentemente actualizacións, xa que tales medidas ofrecen un valor económico significativo e importancia estratégica.