1. Johdatus taajuusmuuttajiin (taajuusmuuttajat) Nykyaikaisen teollisen valvonnan alalla ...
LUE LISÄÄA keskijännitepehmokäynnistin on elektroninen moottorin ohjauslaite, joka on suunniteltu nostamaan asteittain keskijännitteiseen AC-oikosulkumoottoriin syötettyä jännitettä käynnistyksen aikana, sääteleen kiihdytysmomenttia ja rajoittaen käynnistysvirtaa, joka muutoin syöksyisi moottorin ja liitetyn sähköjärjestelmän läpi, kun käytetään suorakäynnistystä. Keskijännite tarkoittaa tässä yhteydessä syöttöjännitteitä, jotka vaihtelevat tyypillisesti välillä 2,3 kV - 13,8 kV ja jotka kattavat suurten teollisuusmoottoreiden toiminta-alueen, joita käytetään pumpuissa, kompressoreissa, puhaltimissa, kuljettimissa, myllyissä ja muissa raskaissa laitteissa, joita löytyy esimerkiksi öljy- ja kaasuteollisuudesta, kaivosteollisuudesta, vedenkäsittelystä, sähköntuotannosta ja sementin valmistuksesta.
MV-pehmokäynnistimen toimintaperiaate perustuu anti-rinnakkaistyristoripareihin (SCR:t – piiohjatut tasasuuntaajat), jotka on kytketty sarjaan moottorin syötön jokaisen vaiheen kanssa. Säätämällä näiden tyristorien laukaisukulmaa – eli tarkkaa pistettä kussakin vaihtojännitejaksossa, jossa tyristorit laukaistaan johtamaan – pehmokäynnistin ohjaa, mikä osuus syöttöjännitteestä on kytkettynä moottoriin kulloinkin. Käynnistysjakson alussa laukaisukulma asetetaan antamaan alhainen alkujännite, mikä rajoittaa sekä käynnistysmomenttia että käynnistysvirtaa. Käynnistyksen edetessä sytytyskulmaa kehitetään asteittain lisäämään jännitettä, kunnes täysi verkkojännite on kytketty ja tyristorit ohitetaan - joko sisäisesti sisäänrakennetulla ohituskontaktorilla tai ulkoisesti erillisellä ohituspiirillä - jolloin moottori voi käydä täydellä teholla ilman, että tyristorit aiheuttavat häviöitä käyntipiirissä.
Keskijännitteisen moottorin pehmokäynnistimen käyttö suorakäynnistimen tai muun alennetun jännitteen käynnistystavan sijaan käy selväksi, kun otetaan huomioon suurten keskijännitemoottoreiden käynnistämiseen liittyvien sähköisten ja mekaanisten voimien laajuus. Keskijännitteinen oikosulkumoottori, jonka teho on 500 kW:sta useisiin megawatteihin, voi kuluttaa 6-8 kertaa täyskuormitusvirtaansa suorakäynnistyksen aikana – useita sekunteja kestävä ylijännite, joka rasittaa voimakkaasti moottorin käämejä, käytettävän laitteen mekaanisia komponentteja ja moottoria syöttävää sähköverkkoa.
Heikossa tai eristetyssä sähköverkossa – kuten etäteollisuusalueella, offshore-alustalla tai erillisen tuotantolaitoksen toimittamassa laitoksessa – tämä virtapiippu aiheuttaa merkittävän jännitehäviön, joka vaikuttaa muihin samaan väylään kytkettyihin laitteisiin. Verkkoon liitetyissä tiloissa toistuvat korkean käynnistystapahtumat aiheuttavat sähkön laatuongelmia ja voivat laukaista käyttömaksuja tai kapasiteettirajoituksia. Mekaaninen isku, joka liittyy suureen käynnistysmomenttiin suorakäynnistyksissä, kiihdyttää myös kytkimien, vaihteistojen, hihnakäyttöjen ja itse käytettävän kuorman kulumista, mikä lisää huoltotiheyttä ja suunnittelemattomia seisokkikustannuksia laitteen käyttöiän aikana.
Keskijännitteiset pehmokäynnistimet ratkaisevat molemmat ongelmat samanaikaisesti. Ohjaamalla jänniteramppia käynnistyksen aikana ne rajoittavat huippusytytysvirran ohjelmoitavaan täyden kuormitusvirran kerrannaiseen – tyypillisesti 2,5–4 kertaa täyden kuormituksen virtaan 6–8-kertaisen sijasta – ja ne kohdistavat vääntömomentin asteittain mekaaniseen voimansiirtoon, mikä eliminoi linjan yli tapahtuvaan käynnistykseen liittyvän iskukuormituksen. Tietyissä kuormitustyypeissä – erityisesti keskipakopumpuissa ja puhaltimissa – ohjattu pehmeä pysäytystoiminto on yhtä arvokas, jolloin moottori voi hidastua tasaisesti äkillisen pysähtymisen sijaan, mikä estää vesivasaran syntymisen putkistojärjestelmissä ja vähentää mekaanista rasitusta hidastuksen aikana.
Kaikkia keskijännitepehmokäynnistimiä ei rakenneta samalla tavalla, ja sisäisen topologian ja suunnittelun erot vaikuttavat käytännössä suorituskykyyn, asennuksen monimutkaisuuteen, harmonisiin vääristymiin ja soveltuvuuteen eri sovelluksiin. Pääkonfiguraatioiden ymmärtäminen auttaa insinöörejä määrittelemään oikean tuotteen vaatimuksiinsa.
Selkein MV-pehmeäkäynnistimen topologia asettaa tyristoriparit suoraan sarjaan moottorin syöttöjohtimien kanssa keskijännitepuolella ohituskontaktorilla, joka oikosulkee tyristorit, kun moottori saavuttaa täyden nopeuden. Tämä in-line-kokoonpano on mekaanisesti yksinkertainen ja sähköisesti suora, mutta se edellyttää, että tyristorit, hilaohjauspiirit ja niihin liittyvät suojakomponentit on mitoitettu täydelle keskijännitteelle – mikä lisää tehopinon monimutkaisuutta ja kustannuksia, erityisesti yli 6 kV:n jännitteillä, joissa tarvitaan sarjaan kytkettyjä tyristoripinoja tai suurjännitetyristorilaitteita. Linjakeskijännitepehmokäynnistimet ovat vakiintuneita markkinoilla ja ovat hallitseva konfiguraatio jännitteillä noin 6,6 kV asti.
Sisäinen kolmioliitäntätopologia sijoittaa matalajännitteiset tyristorimoduulit kolmiokytketyn moottorin kolmiokäämien sisään pääsyöttölinjojen sijaan. Koska kolmiokytketyn moottorin jokaisen käämin yli oleva jännite on vaihejännite eikä verkkojännite, sisäisessä kolmiossa olevien tyristorien tarvitsee käsitellä vain murto-osa täydestä verkkojännitteestä – erityisesti 1/√3 verkkojännitteestä. Tämä mahdollistaa alhaisemman jännitteen ja halvempien tyristorilaitteiden käytön, mutta tarjoaa silti täyden pehmeän käynnistyksen ohjauksen moottorille. Sisäinen kolmiotopologia johtaa myös pienempään harmoniseen säröön syöttöverkossa verrattuna täyslinjaiseen liitäntään, koska tyristorikytkentä tapahtuu moottorin sisällä eikä suoraan johdossa. Rajoituksena on, että tämä topologia koskee vain kolmiokytkettyjä moottoreita ja vaatii pääsyn moottorin liitäntäkoteloon sisäistä liitäntää varten.
Joissakin MV-pehmeäkäynnistinmalleissa käytetään alaspäin suunnattua muuntajaa keskijännitteen alentamiseksi alemmalle tasolle, jolla voidaan käyttää tavallista pienjännitetyristoritekniikkaa, jolloin ohjausjännitettä nostetaan takaisin sarjamuuntajan kautta ennen kuin se kytketään moottoriin. Tämä lähestymistapa hyödyntää pienjännitetyristoritekniikan kypsyyttä ja kustannustehokkuutta, mutta lisämuuntajat lisäävät kokoa, painoa, kustannuksia ja tehohäviöitä suoriin MV-tyristorimalleihin verrattuna. Muuntajapohjaiset arkkitehtuurit olivat yleisempiä aiemmissa MV-pehmokäynnistimien sukupolvissa, ja ne ovat vähemmän yleisiä nykyisissä tuotemalleissa, vaikka ne säilyttävätkin sovellusedut tietyissä erikoisskenaarioissa.
Keskijännitteisen pehmokäynnistimen määrittäminen sovellukseen edellyttää teknisten parametrien joukon ymmärtämistä, jotka määrittelevät sekä laitteen kyvyn että sen yhteensopivuuden sen ohjaaman moottorin ja järjestelmän kanssa. Seuraavat tiedot ovat tärkeimmät eri tuotteiden arvioimiseksi ja vertailuksi.
| Erittely | Tyypillinen alue / arvot | Mitä se määrittää |
| Jännitteen luokitus | 2,3 kV, 3,3 kV, 4,16 kV, 6 kV, 6,6 kV, 10 kV, 11 kV, 13,8 kV | Moottorin ja syöttöjännitteen on vastattava tarkasti |
| Moottorin tehoalue | 200 kW – 20 000 kW | Määrittää moottorikoot, joita yksikkö voi ohjata |
| Nykyinen luokitus (FLC) | Yhdistetty moottorin täyskuormitusvirtaan | Laitteen jatkuva lämpökapasiteetti |
| Alkaen nykyinen raja | 2,0–4,5 × FLC (ohjelmoitava) | Suurin kytkentävirta käynnistyksen aikana |
| Eiusuaika | 2-120 sekuntia (säädettävä) | Jännitekiihdytysrampin kesto |
| Alkaa tunnissa | 2-6 käynnistystä/tunti tyypillisesti | Lämpökäyttökyky |
| Suojaustoiminnot | Ylikuormitus, vaihehäviö, tyristorivika, ali-/ylijännite | Moottorin ja järjestelmän suojaus |
| Viestintäprotokollat | Modbus RTU/TCP, Profibus, DeviceNet, Ethernet/IP | Integrointi SCADA- ja DCS-järjestelmiin |
| Koteloluokka | IP42, IP54, IP65 (sovelluskohtainen) | Ympäristönsuojelu asennuspaikalle |
| Ohitusasetukset | Sisäinen ohituskontaktori tai ulkoinen ohituspaneeli | Käyntitehokkuus ja tyristorisuojaus |
Vaikka keskijännitepehmokäynnistin voi teoriassa hyödyttää kaikkia suuria moottorisovelluksia, tietyt käyttötapaukset saavat suurimman tuoton sijoitukselle. Sen ymmärtäminen, mitkä sovellukset ovat vahvimpia, auttaa priorisoimaan, missä MV-pehmokäynnistimet tulisi määrittää yksinkertaisempiin käynnistysmenetelmiin verrattuna.
Keskipakopumppusovellukset ovat yksi vahvimmista käyttötapauksista keskijännitepehmokäynnistimille, erityisesti vesihuollon, kastelun, putkistojen ja prosessiteollisuuden sovelluksissa. Syöttövirtaa rajoittavan ohjatun kiihdytyksen ja – kriittisesti – hallitun hidastuksen yhdistelmä vesivasaran estämiseksi tekee MV-pehmeäkäynnistimistä suositellun käynnistysratkaisun suurille pumppujärjestelmille, joissa putkiston painehäiriöt ovat huolestuttavia. Pumppu, joka pysähtyy äkillisesti katkaisemalla moottorin jännitteestä, kun se käy täydellä nopeudella, synnyttää paineaallon, joka kulkee putkilinjan läpi ja voi aiheuttaa putkien liitosten rikkoutumisen, venttiilin istukan vaurioitumisen tai vaikeissa tapauksissa putkilinjan repeämisen. Pehmeä pysäytystoiminto, joka hidastaa pumppua tasaisesti ohjelmoitavan ajanjakson aikana, eliminoi tämän riskin kokonaan.
Suurissa keskipakopuhaltimissa ja aksiaalivirtauspuhaltimissa, joita käytetään voimalaitosten pakko- ja paineilmajärjestelmissä, kaivoksen ilmanvaihto-, tunnelituuletus- ja teollisuusprosessien ilmajärjestelmissä, on pyörivät kokoonpanot, joilla on erittäin suuret hitausmomentit. Näiden kuormien käynnistäminen linjan poikki johtaa pitkittyneeseen korkean virrankulutukseen, kun moottori kiihdyttää raskaan roottorin ja juoksupyörän pysähdyksestä täyteen nopeuteen, mikä aiheuttaa pidentyneen lämpörasituksen moottorin käämeissä ja merkittävän jännitteen laskun syöttöväylässä. Keskijännitteiset pehmokäynnistimet mahdollistavat käynnistysvirran lukitsemisen turvalliselle tasolle koko kiihdytysjakson ajan riippumatta siitä, kuinka kauan kiihdytys kestää, mikä suojaa sekä moottoria että syöttöjärjestelmää pisimpienkin käynnistysjaksojen aikana.
Kaasukompressorit, ilmakompressorit ja jäähdytyskompressorit tarjoavat erilaisia käynnistyshaasteita niiden tyypistä riippuen. Keskipako- ja aksiaalikompressorit käyttäytyvät käynnistysominaisuuksiltaan samalla tavalla kuin puhaltimet. Mäntäkompressoreilla voi olla korkeat irrotusmomenttivaatimukset, jotka on otettava huomioon huolellisella pehmokäynnistimen parametrien ohjelmoinnilla, jotta varmistetaan riittävä käynnistysmomentti, mutta silti rajoittaa virtaa. Ruuvikompressorit sopivat yleensä hyvin pehmeäkäynnistykseen. Kaikissa kompressorisovelluksissa kyky määrittää tarkasti ohjattu käynnistysjärjestys – sen sijaan, että luottaisi suoran tai automaattisen muuntajan käynnistyksen ennakoimattomiin ominaisuuksiin – on merkittävä etu sekä prosessin luotettavuuden että virranlaadun näkökulmasta.
Kuulamyllyt, SAG-myllyt, murskaimet ja kuljetinkäytöt kaivosteollisuudessa ja mineraalien käsittelyssä edustavat vaativimpia moottoreiden käynnistyssovelluksia kaikilla toimialoilla. Näissä kuormissa yhdistyvät erittäin korkea inertia, merkittävät irrotusmomenttivaatimukset ja toistuva käynnistystarve joissakin kokoonpanoissa sekä todellisuus, että häiriöt kaukaisissa kaivospaikoissa ovat erittäin kalliita korjauskustannusten ja menetetyn tuotannon kannalta. Kaivossovelluksissa käytetyt MV-pehmeät käynnistimet on tyypillisesti määritelty tehostetuilla suojatoiminnoilla, korkeammilla käyttösuhteilla ja vankalla rakenteella, joka sopii pölyisiin ja täriseviin ympäristöihin. Mahdollisuus ohjelmoida tarkka vääntömomenttiprofiili käynnistyksen aikana – mukaan lukien käynnistyspulssi staattisen kitkan katkaisemiseksi ennen pääramppia – on ominaisuus, joka on erityisen arvokas mylly- ja murskaimissa.
Korkeapainepumppumoottorit käänteisosmoosisuolanpoistolaitoksissa, meriveden nostopumppuasemissa ja suurissa vedenkäsittelylaitoksissa toimivat usein erityisistä keskijännitekytkimistä, joissa jännitteen vakaus on kriittistä. Yksi suuri pumpun käynnistys, joka aiheuttaa merkittävän jännitehäviön, voi laukaista herkät prosessilaitteet samassa väylässä, mikä aiheuttaa sarjan prosessihäiriöitä, joista toipuminen on kallista. Keskijännitteiset pehmokäynnistimet tarkalla virranrajoitusohjauksella ovat vakioratkaisu pumpun käynnistysten hallintaan näissä ympäristöissä ilman sähköjärjestelmän epävakautta.
Keskijännitteinen pehmokäynnistin ei ole ainoa tapa käynnistää suuri MV-moottori, ja päätös sellaisen käyttämisestä tulee tehdä ymmärtämällä selkeästi, kuinka se vertaa käytettävissä olevia vaihtoehtoja eri mitoissa, jotka ovat tärkeimpiä tietyssä sovelluksessa.
| Käynnistysmenetelmä | Syöttövirta | Käynnistysmomentin ohjaus | Pehmeä pysäytys | Pääomakustannus | Eipeudensäätö |
| Suora verkkoyhteys (DOL) | 600–800 % FLC | Ei mitään | Ei | Alin | Ei |
| Automaattinen muuntaja | 300–400 % FLC | Rajoitettu (kiinteät hanat) | Ei | Keskikokoinen | Ei |
| Reaktorin (impedanssin) käynnistin | 300-500 % FLC | Rajoitettu | Ei | Keskikokoinen | Ei |
| MV pehmokäynnistin | 250–400 % FLC (ohjelmoitava) | Tarkkaa, jatkuvaa | Kyllä | Keskikokoinen-High | Ei (start/stop only) |
| MV-taajuusmuuttaja | 100–150 % FLC | Täysi, tarkka | Kyllä | Korkein | Täysi vaihtuva nopeus |
Yllä oleva vertailu tekee selväksi, että keskijännitepehmokäynnistin on hyvin määritellyllä paikalla käynnistysmenetelmien hierarkiassa – tarjoten huomattavasti paremman virranrajoituksen ja vääntömomentin hallinnan kuin mekaaniset alennusjännitemenetelmät murto-osalla täyden keskijännitteisen taajuusmuuttajan kustannuksista. Sovelluksissa, joissa ei vaadita muuttuvan nopeuden käyttöä ajon aikana ja ensisijaiset tarpeet ovat käynnistysvirran rajoitus, ohjattu käynnistysmomentti ja pehmeä pysäytysominaisuus, MV-pehmeäkäynnistin on tyypillisesti optimaalinen ratkaisu sekä teknisestä että taloudellisesta näkökulmasta.
Nykyaikaiset keskijännitepehmokäynnistimet sisältävät kattavat moottorin ja järjestelmän suojaustoiminnot, jotka aiemmin vaativat erilliset releen suojapaneelit. Tämä suojauksen integrointi pehmokäynnistimen ohjausjärjestelmään vähentää komponenttien kokonaismäärää ja yksinkertaistaa moottorin ohjauskeskuksen suunnittelua samalla, kun se tarjoaa koordinoidun suojan, joka on aina tietoinen moottorin toimintatilasta.
Keskijännitteisen pehmokäynnistimen onnistunut käyttöönotto vaatii huolellista huomiota asennusvaatimuksiin, käyttöönottomenettelyihin ja jatkuvaan huoltokäytäntöön. Näiden seikkojen saaminen oikein on yhtä tärkeää kuin oikean tuotteen määrittely.
MV-pehmeät käynnistimet haihduttavat lämpöä tyristoriensa ja niihin liittyvien piirien kautta käynnistysjaksojen aikana, ja riittävä jäähdytys on välttämätöntä luotettavan toiminnan kannalta. Useimmat yksiköt käyttävät pakotettua ilmajäähdytystä sisäisillä tuulettimilla, ja asennusympäristön on tarjottava riittävä viileän ilman syöttö ja poisto – joko avoimen ilmanvaihdon kautta puhtaassa ympäristössä tai erillisen jäähdytysjärjestelmän kautta pölyisissä tai aggressiivisissa ympäristöissä. Vaihtohuoneen ympäristön lämpötila tulee tyypillisesti pitää alle 40 °C:ssa standardinmukaisissa laitteissa, ja alennusta vaaditaan asennuksissa, jotka sijaitsevat korkeammissa ympäristön lämpötiloissa tai merkittävissä korkeuksissa. MV-pehmokäynnistinkokoonpanojen paino ja mitat – jotka voivat olla merkittäviä suuritehoisissa laitteissa – on otettava huomioon moottorin ohjauskeskuksen tai kytkinhuoneen rakennesuunnittelussa.
MV-pehmeänkäynnistimen oikea käyttöönotto on ratkaisevan tärkeää haluttujen hyötyjen saavuttamiseksi ja häiriöiden tai riittämättömän suojan välttämiseksi. Käyttöönottoprosessiin kuuluu moottorin tyyppikilven parametrien – jännite, virta, teho ja nopeusluokitus – asettaminen, jotka määrittävät kaikkien suojauslaskelmien perustason. Käynnistysparametrit, mukaan lukien alkujännite, virtaraja ja ramppiaika, on säädettävä vastaamaan kuorman todellista vääntömomentti-nopeusominaiskäyrää, mikä saattaa edellyttää iteratiivista säätöä useiden testikäynnistysten aikana. Suojareleen asetukset – erityisesti ylikuormitusluokka, vaiheepätasapainokynnys ja jumiajastin – tulee koordinoida järjestelmän suojausinsinöörin kanssa, jotta varmistetaan asianmukainen erottelu ylävirran suojalaitteiden kanssa.
Keskijännitteiset pehmokäynnistimet ovat yleensä luotettavia laitteita, joiden huoltotarve on suhteellisen vaatimaton mekaanisiin käynnistyslaitteisiin verrattuna, mutta jäsennelty ennaltaehkäisevä huolto-ohjelma on välttämätön pitkän aikavälin luotettavuuden varmistamiseksi kriittisissä sovelluksissa. Keskeisiä huoltotoimenpiteitä ovat ilmanvaihtopolkujen ja jäähdytystuulettimen toiminnan vuositarkastus ja puhdistus, MV-kaapeliliitäntöjen määräaikainen tarkastus lämpökuormituksen tai löystymisen varalta, suojareleen toimintojen testaus toissijaisilla injektio- tai testitiloilla, ohituskontaktorin toiminnan ja koskettimien kunnon tarkistaminen sekä tapahtumalokin tarkastelu mahdollisten tallennettujen vikojen tai varoitustapahtumien varalta, jotka voivat viitata ongelmien kehittymiseen ennen kuin ne aiheuttavat odottamattoman laukaisun.
Kaikkien edellä käsiteltyjen teknisten näkökohtien yhdistäminen johdonmukaiseksi valintaprosessiksi vaatii jäsenneltyä lähestymistapaa. Seuraava tarkistuslista kattaa tärkeimmät kysymykset, joihin on vastattava ennen MV-pehmeänkäynnistimen määrittelyn viimeistelyä.