Den avgjørende rollen til medium-voltage VFDs i industriell effektivitet og prosesskontroll
Mellomspenning med variabel frekvens (MV VFDs) er essensielle kraftelektroniske enheter som brukes til å kontrollere rotasjonshastigheten, dreiemomentet og retningen til vekselstrømsmotorer som opererer ved spenninger som typisk varierer fra 1 kV til 15 kV. I motsetning til lavspente VFD-er, håndterer MV-stasjoner betydelig høyere strømkrav, ofte fra hundrevis av kilowatt opp til over 100 megawatt, noe som gjør dem til kritiske komponenter i storskala industri- og bruksapplikasjoner.
Den primære fordelen med å distribuere MV VFD-er er de betydelige energibesparelsene som oppnås ved å nøyaktig tilpasse motorhastigheten til den nødvendige belastningen, spesielt i applikasjoner med variabelt dreiemoment som pumper og vifter. Videre tilbyr de overlegen prosesskontroll, reduserer mekanisk stress under motorstarter, og gir verdifulle funksjoner for strømkvalitet som effektfaktorkorreksjon og harmonisk demping.
Avanserte topologier og arkitektonisk design av MV VFD-er
Den interne arkitekturen til MV VFD-er er spesielt mer mangfoldig og kompleks enn deres lavspenningsmotstykker på grunn av nødvendigheten av å håndtere høye spenninger og dempe harmonisk forvrengning. MV-frekvensomformere bruker generelt en tre-trinns design: en omformer (likeretter) for å transformere AC til DC, en DC-link for energilagring og utjevning, og en omformer for å konvertere DC tilbake til variabel frekvens AC-strøm for motoren.
Multi-Level Inverter Topologier for forbedret utdatakvalitet
For å produsere en mer sinusformet, "motorvennlig" utgangsbølgeform og begrense spenningsstigetiden ( ) som kan skade motorisolasjonen, bruker MV VFD-er vanligvis multi-level inverter-topologier. Disse designene syntetiserer AC-utgangsspenningen i flere trinn (nivåer) i stedet for to, noe som er vanlig i lavspenningsstasjoner. To fremtredende multi-level topologier inkluderer:
- Cascaded H-Bridge (CHB): Denne populære spenningskildetopologien bruker flere seriekoblede lavspente H-broceller per fase. Hver celle har sin egen inngangslikeretter, og den kombinerte utgangen gir en flertrinns bølgeform av høy kvalitet. CHB krever ofte en kompleks flerviklings faseskiftende inngangstransformator, som vanligvis er integrert i drivpakken.
- Neutral Point Clamped (NPC): 3-nivå NPC-topologien er veletablert og bruker dioder eller aktive brytere for å klemme utgangsspenningen til et nøytralt punkt, og skaper tre spenningsnivåer. Den har en kompakt design og er egnet for spenninger opp til rundt 4,16 kV. Avanserte varianter som Active Neutral Point Clamped (ANPC) eller høyere nivå NPC brukes også.
Strømkildeinverter (CSI) vs. spenningskildeinverter (VSI) arkitekturer
MV VFD-er kan også kategoriseres bredt basert på deres DC-link-komponent:
- Voltage Source Inverter (VSI): Dette er den mer moderne og mye brukte tilnærmingen, som bruker kondensatorer i DC-koblingen for å lagre og regulere en konstant likespenning. VSI-stasjoner bruker IGBT-er i omformerseksjonen og er kjent for god dynamisk ytelse. Multi-level topologier som CHB og NPC er VSI-varianter.
- Current Source Inverter (CSI): En moden teknologi som bruker en stor induktor i DC-koblingen for å opprettholde en konstant likestrøm. CSI-stasjoner bruker ofte Gate Turn-Off (GTO) tyristorer eller mer moderne enheter som SGCT (Symmetric Gate Commutated Thyristor) i omformeren. De er robuste og brukes ofte i svært store kraftapplikasjoner eller med synkronmotorer.
Kritiske applikasjoner på tvers av nøkkelbransjer
Robustheten, høye kraftkapasiteten og den nøyaktige kontrollen som tilbys av MV VFD-er, gjør dem uunnværlige på tvers av flere krevende sektorer.
Følgende tabell oppsummerer vanlige MV VFD-applikasjoner og prosesskontrollfordelene de gir:
| Industri | Typisk applikasjon | Nøkkel operasjonell fordel |
| Olje og gass | Kompressorer (stempel og sentrifugal), pumper | Nøyaktig strømnings- og trykkregulering, myk start og energieffektivitet. |
| Gruvedrift og sement | Knusere, transportører, møller (kule og sag) | Høyt startmoment, hastighetskontroll for optimalisert knusing/sliping, og redusert mekanisk påkjenning. |
| Verktøy (vann/avløpsvann) | Høytløftende pumper, blåsere | Optimalisert væskestrøm og nivåkontroll, betydelige energibesparelser på grunn av variabel dreiemomentbelastning. |
| Kraftproduksjon | Kjele Matepumper, ID/FD-vifter | Forbedret kjeleeffektivitet, forbrenningskontroll og redusert hjelpestrømforbruk. |
Overveielser om harmonisk reduksjon og kraftkvalitet
En betydelig teknisk vurdering for MV VFD-er er å håndtere harmonisk forvrengning, som kan påvirke strømnettet og annet tilkoblet utstyr negativt. MV VFD-design adresserer dette i seg selv gjennom sine multi-puls og multi-level konfigurasjoner.
Inngangsseksjonen til en MV VFD bruker typisk en multi-puls diode likeretter (f.eks. 18-puls eller 24-puls) koblet med en faseskiftende transformator. Økning av pulstellingen minimerer størrelsen på lavordens harmoniske som injiseres tilbake i strømledningen. Videre bruker noen moderne stasjoner Active Front Ends (AFE), som erstatter passive likerettere med aktive brytere (IGBT). AFE-er er i hovedsak en andre omformer som kan:
- Kontroller og eliminer harmonisk forvrengning aktivt, og oppnå en inngangseffektfaktor på nesten enhet (nær 1,0).
- Tillat regenerativ bremsing, der kinetisk energi fra motoren føres tilbake til kraftledningen, en kritisk funksjon for laster som kraner og nedoverbakketransportører.
Implementering av MV VFD-er krever nøye design og koordinering på systemnivå for å sikre samsvar med verktøystandarder (som IEEE 519) og for å maksimere systemets pålitelighet og driftsfordeler.
