Den avgörande rollen för mellanspännings-VFD:er i industriell effektivitet och processkontroll
Mellanspänningsfrekvensomriktare (MV VFDs) är viktiga kraftelektroniska enheter som används för att styra rotationshastigheten, vridmomentet och riktningen för växelströmsmotorer som arbetar vid spänningar som vanligtvis sträcker sig från 1 kV till 15 kV. Till skillnad från lågspännings-VFD:er hanterar MV-enheter betydligt högre effektbehov, ofta från hundratals kilowatt upp till över 100 megawatt, vilket gör dem till kritiska komponenter i storskaliga industri- och allmännyttiga tillämpningar.
Den främsta fördelen med att använda MV VFD är de avsevärda energibesparingarna som uppnås genom att exakt matcha motorhastigheten till den erforderliga belastningen, särskilt i tillämpningar med variabelt vridmoment som pumpar och fläktar. Dessutom erbjuder de överlägsen processkontroll, minskar mekanisk påfrestning under motorstarter och ger värdefulla kraftkvalitetsfunktioner såsom effektfaktorkorrigering och harmonisk dämpning.
Avancerade topologier och arkitektonisk design av MV VFD
Den interna arkitekturen hos MV VFD:er är anmärkningsvärt mer mångsidig och komplex än deras lågspänningsmotsvarigheter på grund av nödvändigheten av att hantera höga spänningar och mildra harmonisk distorsion. MV-frekvensomriktare använder i allmänhet en trestegsdesign: en omvandlare (likriktare) för att omvandla AC till DC, en DC-länk för energilagring och utjämning, och en växelriktare för att omvandla DC tillbaka till variabel frekvens AC-effekt för motorn.
Multi-Level Inverter Topologier för förbättrad utdatakvalitet
För att producera en mer sinusformad, "motorvänlig" utgångsvågform och begränsa spänningsökningstiden ( ) som kan skada motorns isolering, använder MV VFD:er vanligtvis växelriktartopologier med flera nivåer. Dessa konstruktioner syntetiserar AC-utgångsspänningen i flera steg (nivåer) snarare än två, vilket är vanligt i lågspänningsenheter. Två framträdande multi-level topologier inkluderar:
- Kaskadkopplad H-brygga (CHB): Denna populära spänningskällatopologi använder flera seriekopplade, lågspännings-H-bryggceller per fas. Varje cell har sin egen ingångslikriktare, och den kombinerade utsignalen ger en högkvalitativ, flerstegsvågform. CHB kräver ofta en komplex flerlindad fasskiftande ingångstransformator, som vanligtvis är integrerad i drivpaketet.
- Neutral Point Clamped (NPC): NPC-topologin med 3 nivåer är väletablerad och använder dioder eller aktiva omkopplare för att klämma ut spänningen till en neutral punkt, vilket skapar tre spänningsnivåer. Den har en kompakt design och är lämplig för spänningar upp till cirka 4,16 kV. Avancerade varianter som Active Neutral Point Clamped (ANPC) eller högre nivå NPC används också.
Strömkällans inverterare (CSI) kontra spänningskällans inverterare (VSI) arkitekturer
MV VFD kan också kategoriseras brett baserat på deras DC-länkkomponent:
- Voltage Source Inverter (VSI): Detta är den mer moderna och allmänt använda metoden, som använder kondensatorer i DC-länken för att lagra och reglera en konstant DC-spänning. VSI-frekvensomriktare använder IGBT i växelriktarsektionen och är kända för goda dynamiska prestanda. Flernivåtopologier som CHB och NPC är VSI-varianter.
- Current Source Inverter (CSI): En mogen teknologi som använder en stor induktor i DC-länken för att upprätthålla en konstant DC-ström. CSI-enheter använder ofta Gate Turn-Off (GTO) tyristorer eller mer moderna enheter som SGCTs (Symmetric Gate Commutated Thyristors) i växelriktaren. De är robusta och används ofta i mycket stora krafttillämpningar eller med synkronmotorer.
Kritiska tillämpningar inom nyckelbranscher
Robustheten, höga effektkapaciteten och den exakta kontrollen som erbjuds av MV VFD gör dem oumbärliga inom flera krävande sektorer.
Följande tabell sammanfattar vanliga MV VFD-applikationer och de processkontrollfördelar som de ger:
| Industri | Typisk tillämpning | Viktiga operativa fördelar |
| Olja & Gas | Kompressorer (kolv och centrifugal), Pumpar | Exakt flödes- och tryckreglering, mjukstart och energieffektivitet. |
| Gruv & Cement | Krossar, transportörer, kvarnar (Ball and Sag) | Högt startmoment, hastighetskontroll för optimerad krossning/slipning och minskad mekanisk belastning. |
| Verktyg (vatten/avloppsvatten) | Höglyftande pumpar, fläktar | Optimerat vätskeflöde och nivåkontroll, betydande energibesparingar tack vare varierande vridmomentbelastningar. |
| Kraftgenerering | Panna matarpumpar, ID/FD-fläktar | Förbättrad panneffektivitet, förbränningskontroll och minskad förbrukning av extra energi. |
Överväganden om harmonisk begränsning och strömkvalitet
En viktig teknisk faktor för MV VFD:er är att hantera harmonisk distorsion, vilket kan påverka elnätet och annan ansluten utrustning negativt. MV VFD-designer hanterar detta i sig genom sina flerpuls- och flernivåkonfigurationer.
Ingångssektionen hos en MV VFD använder typiskt en multipulsdiodlikriktare (t.ex. 18-puls eller 24-puls) kopplad med en fasskiftande transformator. Ökning av pulsantalet minimerar storleken på övertoner av låg ordning som injiceras tillbaka i elledningen. Dessutom använder vissa moderna enheter Active Front Ends (AFE), som ersätter passiva likriktare med aktiva switchar (IGBT). AFE är i huvudsak en andra växelriktare som kan:
- Kontrollera och eliminera övertonsförvrängning aktivt och uppnå en ineffektfaktor nära enhet (nära 1,0).
- Tillåt regenerativ bromsning, där kinetisk energi från motorn matas tillbaka till kraftledningen, en kritisk egenskap för laster som kranar och nedförsbackar.
Implementering av MV VFD:er kräver noggrann design och koordinering på systemnivå för att säkerställa överensstämmelse med verktygsstandarder (som IEEE 519) och för att maximera systemets tillförlitlighet och driftsfördelar.
