Ključna uloga srednjenaponskih VFD-ova u industrijskoj učinkovitosti i kontroli procesa
Srednjenaponski pogoni promjenjive frekvencije (MV VFD) su osnovni energetski elektronički uređaji koji se koriste za kontrolu brzine vrtnje, momenta i smjera AC motora koji rade na naponima koji se obično kreću od 1 kV do 15 kV. Za razliku od niskonaponskih VFD-ova, MV pogoni podnose znatno veće zahtjeve za snagom, često se protežu od stotina kilovata do preko 100 megavata, što ih čini kritičnim komponentama u velikim industrijskim i komunalnim aplikacijama.
Primarna prednost postavljanja MV VFD-ova je značajna ušteda energije postignuta preciznim usklađivanjem brzine motora sa potrebnim opterećenjem, posebno u aplikacijama s promjenjivim momentom kao što su pumpe i ventilatori. Nadalje, nude vrhunsku kontrolu procesa, smanjuju mehanički stres tijekom pokretanja motora i pružaju vrijedne značajke kvalitete električne energije kao što su korekcija faktora snage i ublažavanje harmonika.
Napredne topologije i arhitektonski dizajn SN VFD-ova
Unutarnja arhitektura MV VFD-ova znatno je raznolikija i složenija od njihovih niskonaponskih analoga zbog potrebe za rukovanjem visokim naponima i ublažavanjem harmonijskog izobličenja. SN pogoni općenito koriste trostupanjski dizajn: pretvarač (ispravljač) za transformaciju izmjenične struje u istosmjernu, istosmjerni međuspoj za pohranu energije i izjednačavanje, i pretvarač za pretvaranje istosmjerne struje natrag u izmjeničnu struju promjenjive frekvencije za motor.
Topologije pretvarača s više razina za poboljšanu kvalitetu izlaza
Za proizvodnju sinusoidnijeg izlaznog valnog oblika "prilagođenog motoru" i ograničenja vremena porasta napona ( ) koje može oštetiti izolaciju motora, MV VFD tipično koriste višerazinske inverterske topologije. Ovi dizajni sintetiziraju AC izlazni napon u više koraka (razina) umjesto u dva, što je uobičajeno u niskonaponskim pogonima. Dvije istaknute višerazinske topologije uključuju:
- Kaskadni H-most (CHB): Ova popularna topologija izvora napona koristi više serijski spojenih niskonaponskih ćelija H-mosta po fazi. Svaka ćelija ima vlastiti ulazni ispravljač, a kombinirani izlaz daje valni oblik visoke kvalitete s više koraka. CHB često zahtijeva složeni ulazni transformator s pomakom faze s više namota, koji je obično integriran u paket pogona.
- Neutralna točka spojena (NPC): 3-razinska NPC topologija je dobro uspostavljena i koristi diode ili aktivne sklopke za stezanje izlaznog napona na neutralnu točku, stvarajući tri razine napona. Nudi kompaktan dizajn i prikladan je za napone do oko 4,16 kV. Također se koriste napredne varijante kao što je Active Neutral Point Clamped (ANPC) ili NPC više razine.
Strujni izvor pretvarača (CSI) u odnosu na arhitekturu pretvarača izvora napona (VSI)
MV VFD-ovi također se mogu široko kategorizirati na temelju njihove komponente istosmjernog međukruga:
- Inverter izvora napona (VSI): Ovo je moderniji i široko korišteni pristup, koji koristi kondenzatore u istosmjernom međukrugu za pohranu i regulaciju konstantnog istosmjernog napona. VSI pogoni koriste IGBT u inverterskom dijelu i poznati su po dobrim dinamičkim performansama. Višerazinske topologije poput CHB i NPC varijante su VSI.
- Inverter izvora struje (CSI): zrela tehnologija koja koristi veliki induktor u međukrugu istosmjerne struje za održavanje konstantne istosmjerne struje. CSI pogoni često koriste tiristore s isključivanjem vrata (GTO) ili modernije uređaje poput SGCT (simetrični komutirani tiristori s vratima) u pretvaraču. Robusni su i često se koriste u aplikacijama s vrlo velikom snagom ili sa sinkronim motorima.
Kritične primjene u ključnim industrijama
Robusnost, veliki kapacitet snage i precizna kontrola koju nude MV VFD-ovi čine ih nezamjenjivima u nekoliko zahtjevnih sektora.
Sljedeća tablica sažima uobičajene primjene MV VFD-a i prednosti kontrole procesa koje one donose:
| Industrija | Tipična primjena | Ključna operativna korist |
| Nafta i plin | Kompresori (Klipni i Centrifugalni), Pumpe | Precizna regulacija protoka i tlaka, meko pokretanje i energetska učinkovitost. |
| Rudarstvo i cement | Drobilice, transportne trake, mlinovi (kuglični i sagovi) | Visoki startni moment, kontrola brzine za optimizirano drobljenje/mljevenje i smanjeni mehanički stres. |
| Komunalije (voda/otpadne vode) | Pumpe visokog dizanja, puhala | Optimizirani protok tekućine i kontrola razine, značajna ušteda energije zbog promjenjivog momenta opterećenja. |
| Proizvodnja električne energije | Napojne pumpe kotlova, ID/FD ventilatori | Poboljšana učinkovitost kotla, kontrola izgaranja i smanjena potrošnja pomoćne energije. |
Ublažavanje harmonika i razmatranja kvalitete energije
Značajno tehničko razmatranje za MV VFD je upravljanje harmonijskim izobličenjem, koje može negativno utjecati na električnu mrežu i drugu povezanu opremu. MV VFD dizajni inherentno rješavaju ovo kroz svoje višepulsne i višerazinske konfiguracije.
Ulazni dio MV VFD-a obično koristi diodni ispravljač s više impulsa (npr. 18-pulsni ili 24-pulsni) spojen s transformatorom za pomicanje faze. Povećanje broja impulsa minimizira magnitudu harmonika niskog reda koji se ubrizgavaju natrag u uslužni vod. Nadalje, neki moderni pogoni koriste Active Front Ends (AFE), koji zamjenjuju pasivne ispravljače aktivnim prekidačima (IGBT). AFE-ovi su u biti drugi pretvarač koji može:
- Aktivno kontrolirajte i eliminirajte harmonijsko izobličenje, postižući faktor ulazne snage gotovo jediničan (blizu 1,0).
- Omogućuje regenerativno kočenje, gdje se kinetička energija iz motora vraća natrag u električni vod, što je kritična značajka za terete poput dizalica i pokretnih traka nizbrdo.
Implementacija MV VFD-ova zahtijeva pažljivo projektiranje i koordinaciju na razini sustava kako bi se osigurala usklađenost s komunalnim standardima (kao što je IEEE 519) i maksimizirala pouzdanost sustava i operativne prednosti.
