Den afgørende rolle for mellemspændings-VFD'er i industriel effektivitet og proceskontrol
Mellemspændingsdrev med variabel frekvens (MV VFD'er) er essentielle kraftelektroniske enheder, der bruges til at styre omdrejningshastigheden, drejningsmomentet og retningen af vekselstrømsmotorer, der kører ved spændinger, der typisk spænder fra 1 kV til 15 kV. I modsætning til lavspændings-VFD'er håndterer MV-drev betydeligt højere strømkrav, der ofte strækker sig fra hundredvis af kilowatt op til over 100 megawatt, hvilket gør dem til kritiske komponenter i storskala industri- og forsyningsapplikationer.
Den primære fordel ved at installere MV VFD'er er de betydelige energibesparelser, der opnås ved præcist at tilpasse motorhastigheden til den nødvendige belastning, især i applikationer med variabelt drejningsmoment som pumper og ventilatorer. Desuden tilbyder de overlegen proceskontrol, reducerer mekanisk belastning under motorstarter og giver værdifulde strømkvalitetsfunktioner såsom effektfaktorkorrektion og harmonisk dæmpning.
Avancerede topologier og arkitektonisk design af MV VFD'er
Den interne arkitektur af MV VFD'er er især mere forskelligartet og kompleks end deres lavspændingsmodstykker på grund af nødvendigheden af at håndtere høje spændinger og afbøde harmonisk forvrængning. MV-drev anvender generelt et tre-trins design: en omformer (ensretter) til at transformere AC til DC, et DC-link til energilagring og udjævning og en inverter til at konvertere DC tilbage til variabel frekvens AC-strøm til motoren.
Multi-Level Inverter Topologier for forbedret outputkvalitet
For at producere en mere sinusformet, "motorvenlig" udgangsbølgeform og begrænse spændingsstigningstiden ( ), der kan beskadige motorisoleringen, anvender MV VFD'er typisk multi-level invertertopologier. Disse designs syntetiserer AC-udgangsspændingen i flere trin (niveauer) i stedet for to, hvilket er almindeligt i lavspændingsdrev. To fremtrædende multi-level topologier inkluderer:
- Cascaded H-Bridge (CHB): Denne populære spændingskildetopologi bruger flere serieforbundne, lavspændings H-broceller pr. fase. Hver celle har sin egen input-ensretter, og det kombinerede output giver en højkvalitets, flertrinsbølgeform. CHB kræver ofte en kompleks flerviklingsfaseskiftende inputtransformator, som typisk er integreret i drevpakken.
- Neutral Point Clamped (NPC): NPC-topologien med 3 niveauer er veletableret og bruger dioder eller aktive kontakter til at klemme udgangsspændingen til et neutralt punkt, hvilket skaber tre spændingsniveauer. Den har et kompakt design og er velegnet til spændinger op til omkring 4,16 kV. Avancerede varianter som Active Neutral Point Clamped (ANPC) eller højere niveau NPC bruges også.
Current Source Inverter (CSI) vs. Voltage Source Inverter (VSI) arkitekturer
MV VFD'er kan også kategoriseres bredt baseret på deres DC link-komponent:
- Voltage Source Inverter (VSI): Dette er den mere moderne og udbredte tilgang, der anvender kondensatorer i DC-forbindelsen til at lagre og regulere en konstant DC-spænding. VSI-drev bruger IGBT'er i inverter-sektionen og er kendt for god dynamisk ydeevne. Multi-level topologier som CHB og NPC er VSI-varianter.
- Current Source Inverter (CSI): En moden teknologi, der bruger en stor induktor i DC-forbindelsen til at opretholde en konstant jævnstrøm. CSI-drev bruger ofte Gate Turn-Off (GTO) tyristorer eller mere moderne enheder som SGCT'er (Symmetric Gate Commutated Thyristors) i inverteren. De er robuste og bruges ofte i meget store kraftapplikationer eller med synkronmotorer.
Kritiske applikationer på tværs af nøglebrancher
Robustheden, høje effektkapacitet og præcise styring, der tilbydes af MV VFD'er, gør dem uundværlige på tværs af flere krævende sektorer.
Følgende tabel opsummerer almindelige MV VFD-applikationer og de processtyringsfordele, de giver:
| Industri | Typisk anvendelse | Vigtige driftsmæssige fordele |
| Olie & Gas | Kompressorer (frem- og tilbagegående og centrifugale), pumper | Præcis flow- og trykregulering, blød start og energieffektivitet. |
| Minedrift og cement | Knusere, transportører, møller (kugle og sag) | Højt startmoment, hastighedskontrol for optimeret knusning/slibning og reduceret mekanisk belastning. |
| Forsyningsværker (vand/spildevand) | Højtløftende pumper, blæsere | Optimeret væskeflow og niveaukontrol, betydelige energibesparelser på grund af variable drejningsmomentbelastninger. |
| Strømproduktion | Kedeltilførselspumper, ID/FD-ventilatorer | Forbedret kedeleffektivitet, forbrændingskontrol og reduceret hjælpestrømforbrug. |
Overvejelser om harmonisk afbødning og strømkvalitet
En væsentlig teknisk overvejelse for MV VFD'er er at håndtere harmonisk forvrængning, som kan påvirke elnettet og andet tilsluttet udstyr negativt. MV VFD-design adresserer i sagens natur dette gennem deres multi-pulse og multi-level konfigurationer.
Indgangssektionen af en MV VFD anvender typisk en multi-puls diode ensretter (f.eks. 18-puls eller 24-puls) koblet med en faseskiftende transformer. Forøgelse af pulstallet minimerer størrelsen af lavordens harmoniske, der injiceres tilbage i forsyningsledningen. Desuden anvender nogle moderne drev Active Front Ends (AFE'er), som erstatter passive ensrettere med aktive switches (IGBT'er). AFE'er er i det væsentlige en anden inverter, der kan:
- Aktiver og eliminer harmonisk forvrængning, og opnå en inputeffektfaktor på næsten enhed (tæt på 1,0).
- Tillad regenerativ bremsning, hvor kinetisk energi fra motoren føres tilbage til elledningen, en kritisk egenskab for belastninger som kraner og nedadgående transportbånd.
Implementering af MV VFD'er kræver omhyggeligt design og koordinering på systemniveau for at sikre overholdelse af forsyningsstandarder (såsom IEEE 519) og for at maksimere systemets pålidelighed og driftsmæssige fordele.
