A középfeszültségű VFD-k döntő szerepe az ipari hatékonyságban és a folyamatirányításban
Középfeszültségű változtatható frekvenciájú meghajtók (MV VFD) alapvető teljesítményelektronikai eszközök, amelyek az 1 kV és 15 kV közötti feszültségen működő váltakozó áramú motorok forgási sebességének, nyomatékának és irányának szabályozására szolgálnak. Az alacsony feszültségű VFD-kkel ellentétben a középfeszültségű hajtások lényegesen nagyobb teljesítményigényt kezelnek, gyakran több száz kilowatttól akár 100 megawattig terjednek, így a nagyszabású ipari és közüzemi alkalmazások kritikus elemei.
Az MV VFD-k alkalmazásának elsődleges előnye a jelentős energiamegtakarítás, amelyet a motor fordulatszámának a szükséges terheléshez való precíz hozzáigazításával érünk el, különösen változó nyomatékú alkalmazásoknál, például szivattyúknál és ventilátoroknál. Ezen túlmenően kiváló folyamatszabályozást kínálnak, csökkentik a mechanikai feszültséget a motor indítása során, és értékes teljesítményminőségi jellemzőket biztosítanak, mint például a teljesítménytényező korrekciója és a harmonikus csökkentése.
MV VFD-k fejlett topológiái és építészeti tervezése
Az MV VFD-k belső architektúrája lényegesen változatosabb és összetettebb, mint kisfeszültségű társaik, a nagyfeszültségek kezelésének és a harmonikus torzítások mérséklésének szükségessége miatt. A MV hajtások általában háromlépcsős kialakítást alkalmaznak: egy átalakító (egyenirányító) a váltakozó áram egyenárammá alakítására, egy egyenáramú kapcsolat az energia tárolására és simítására, valamint egy inverter, amely az egyenáramot változtatható frekvenciájú váltakozó árammá alakítja vissza a motor számára.
Többszintű invertertopológiák a jobb kimeneti minőség érdekében
A szinuszos, "motorbarát" kimeneti hullámforma létrehozása és a feszültségemelkedési idő ( ) korlátozása érdekében, amely károsíthatja a motor szigetelését, az MV VFD-k általában többszintű invertertopológiákat használnak. Ezek a kialakítások a váltakozó áramú kimeneti feszültséget több lépésben (szintben) szintetizálják, nem pedig kettőben, ami általános az alacsony feszültségű meghajtókban. Két kiemelkedő többszintű topológia:
- Cascaded H-Bridge (CHB): Ez a népszerű feszültségforrás-topológia több sorba kapcsolt, alacsony feszültségű H-híd cellát használ fázisonként. Minden cellának saját bemeneti egyenirányítója van, és a kombinált kimenet kiváló minőségű, többlépcsős hullámformát biztosít. A CHB gyakran bonyolult, több tekercses fázisváltó bemeneti transzformátort igényel, amely jellemzően a hajtáscsomagba van integrálva.
- Neutral Point Clamped (NPC): A 3-szintű NPC topológia jól bevált, és diódákat vagy aktív kapcsolókat használ a kimeneti feszültség egy semleges ponthoz rögzítésére, három feszültségszintet létrehozva. Kompakt kialakítású, és körülbelül 4,16 kV feszültségig használható. Használnak olyan fejlett változatokat is, mint az Active Neutral Point Clamped (ANPC) vagy a magasabb szintű NPC.
Áramforrás-inverter (CSI) vs feszültségforrás-inverter (VSI) architektúrák
Az MV VFD-k széles körben kategorizálhatók egyenáramú kapcsolati komponensük alapján:
- Feszültségforrás-inverter (VSI): Ez a modernebb és széles körben használt megközelítés, amely kondenzátorokat alkalmaz az egyenáramú körben az állandó egyenfeszültség tárolására és szabályozására. A VSI meghajtók IGBT-ket használnak az inverter részében, és jó dinamikus teljesítményükről ismertek. A többszintű topológiák, mint például a CHB és az NPC, VSI-változatok.
- Áramforrás-inverter (CSI): Kiforrott technológia, amely az egyenáramú körben nagy induktort használ az állandó egyenáram fenntartására. A CSI meghajtók gyakran Gate Turn-Off (GTO) tirisztorokat vagy modernebb eszközöket, például SGCT-ket (Symmetric Gate Commutated Thyristors) használnak az inverterben. Robusztusak és gyakran használják nagyon nagy teljesítményű alkalmazásokban vagy szinkron motorokkal.
Kritikus alkalmazások a kulcsfontosságú iparágakban
Az MV VFD-k robusztussága, nagy teljesítménye és precíz vezérlése nélkülözhetetlenné teszik őket számos igényes szektorban.
Az alábbi táblázat összefoglalja a gyakori MV VFD alkalmazásokat és az általuk nyújtott folyamatvezérlési előnyöket:
| Ipar | Tipikus alkalmazás | Főbb működési előnyök |
| Olaj és Gáz | Kompresszorok (dugattyús és centrifugális), szivattyúk | Pontos áramlás- és nyomásszabályozás, lágy indítás és energiahatékonyság. |
| Bányászat és cement | Zúzók, szállítószalagok, malmok (golyós és leereszkedő) | Nagy indítónyomaték, fordulatszám-szabályozás az optimalizált zúzás/őrlés és csökkentett mechanikai igénybevétel érdekében. |
| Közművek (víz/szennyvíz) | Magas emelésű szivattyúk, fúvók | Optimalizált folyadékáramlás és szintszabályozás, jelentős energiamegtakarítás a változó nyomatékterhelésnek köszönhetően. |
| Áramtermelés | Kazán tápszivattyúk, ID/FD ventilátorok | Jobb kazán hatásfok, égésszabályozás és csökkentett segédenergia-fogyasztás. |
Harmonikus hatáscsökkentési és energiaminőségi szempontok
Az MV VFD-knél fontos műszaki szempont a harmonikus torzítás kezelése, amely negatívan befolyásolhatja az elektromos hálózatot és az egyéb csatlakoztatott berendezéseket. Az MV VFD-tervek többimpulzusos és többszintű konfigurációik révén eredendően megoldják ezt.
Az MV VFD bemeneti szakasza jellemzően több impulzusú dióda egyenirányítót (például 18 impulzusos vagy 24 impulzusos) használ, amely fáziseltoló transzformátorral van összekapcsolva. Az impulzusszám növelése minimálisra csökkenti a közművezetékbe visszainjektált alacsony rendű harmonikusok nagyságát. Ezenkívül néhány modern meghajtó Active Front Endeket (AFE) alkalmaz, amelyek a passzív egyenirányítókat aktív kapcsolókra (IGBT) helyettesítik. Az AFE-k lényegében egy második inverter, amely:
- Aktívan szabályozza és kiküszöböli a harmonikus torzítást, közel egységes bemeneti teljesítménytényezőt érve el (közel 1,0).
- Lehetővé teszi a regeneratív fékezést, ahol a motor kinetikus energiája visszakerül a tápvezetékbe, ami kritikus jellemzője olyan rakományoknak, mint a daruk és a lejtős szállítószalagok.
Az MV VFD-k megvalósítása gondos rendszerszintű tervezést és koordinációt igényel a közmű szabványoknak (például IEEE 519) való megfelelés, valamint a rendszer megbízhatóságának és működési előnyeinek maximalizálása érdekében.
