Rozhodujúca úloha strednonapäťových VFD v priemyselnej účinnosti a riadení procesov
Strednapäťové frekvenčné meniče (MV VFD) sú základné výkonové elektronické zariadenia používané na riadenie rýchlosti otáčania, krútiaceho momentu a smeru striedavých motorov pracujúcich pri napätiach typicky v rozsahu od 1 kV do 15 kV. Na rozdiel od nízkonapäťových frekvenčných meničov zvládajú vysokonapäťové pohony podstatne vyššie požiadavky na napájanie, ktoré často siahajú od stoviek kilowattov až po viac ako 100 megawattov, čo z nich robí kritické komponenty vo veľkých priemyselných a úžitkových aplikáciách.
Primárnou výhodou nasadenia MV VFD sú značné úspory energie dosiahnuté presným prispôsobením rýchlosti motora požadovanému zaťaženiu, najmä v aplikáciách s premenlivým krútiacim momentom, ako sú čerpadlá a ventilátory. Okrem toho ponúkajú vynikajúce riadenie procesu, znižujú mechanické namáhanie počas štartovania motora a poskytujú hodnotné vlastnosti kvality energie, ako je korekcia účinníka a zmiernenie harmonických.
Pokročilé topológie a architektonický návrh MV VFD
Vnútorná architektúra MV VFD je výrazne rôznorodejšia a komplexnejšia ako ich nízkonapäťové náprotivky kvôli potrebe zvládnuť vysoké napätie a zmierniť harmonické skreslenie. Pohony MV vo všeobecnosti využívajú trojstupňový dizajn: konvertor (usmerňovač) na transformáciu striedavého prúdu na jednosmerný prúd, jednosmerné prepojenie na ukladanie a vyhladzovanie energie a menič na premenu jednosmerného prúdu späť na striedavý prúd s premenlivou frekvenciou pre motor.
Viacúrovňové topológie invertorov pre vylepšenú kvalitu výstupu
Na vytvorenie sínusovejšieho výstupného tvaru „priateľského k motoru“ a obmedzenie času nárastu napätia ( ), ktorý môže poškodiť izoláciu motora, VFD zvyčajne využívajú viacúrovňové invertorové topológie. Tieto konštrukcie syntetizujú výstupné striedavé napätie vo viacerých krokoch (úrovniach) namiesto dvoch, čo je bežné u nízkonapäťových pohonov. Dve prominentné viacúrovňové topológie zahŕňajú:
- Kaskádový H-bridge (CHB): Táto populárna topológia zdroja napätia využíva viacero sériovo zapojených nízkonapäťových buniek H-mostíka na fázu. Každá bunka má svoj vlastný vstupný usmerňovač a kombinovaný výstup poskytuje vysokokvalitný viacstupňový priebeh. CHB často vyžaduje komplexný viacvinutý vstupný transformátor s fázovým posunom, ktorý je zvyčajne integrovaný do jednotky pohonu.
- Neutral Point Clamped (NPC): 3-úrovňová topológia NPC je dobre zavedená a využíva diódy alebo aktívne spínače na upnutie výstupného napätia do neutrálneho bodu, čím sa vytvárajú tri úrovne napätia. Ponúka kompaktný dizajn a je vhodný pre napätie do približne 4,16 kV. Používajú sa aj pokročilé varianty ako Active Neutral Point Clamped (ANPC) alebo NPC vyššej úrovne.
Architektúra meniča prúdu (CSI) vs. meniča zdroja napätia (VSI).
MV VFD môžu byť tiež široko kategorizované na základe ich komponentu jednosmerného spojenia:
- Invertor zdroja napätia (VSI): Toto je modernejší a široko používaný prístup, ktorý využíva kondenzátory v jednosmernom medziobvode na ukladanie a reguláciu konštantného jednosmerného napätia. Pohony VSI používajú IGBT v sekcii meniča a sú známe dobrým dynamickým výkonom. Viacúrovňové topológie ako CHB a NPC sú varianty VSI.
- Invertor zdroja prúdu (CSI): Vyspelá technológia, ktorá využíva veľkú tlmivku v medziobvode na udržanie konštantného jednosmerného prúdu. Pohony CSI často používajú v meniči tyristory Gate Turn-Off (GTO) alebo modernejšie zariadenia ako SGCT (Symetric Gate Commutated Thyristors). Sú robustné a často používané vo veľmi veľkých výkonových aplikáciách alebo so synchrónnymi motormi.
Kritické aplikácie v kľúčových odvetviach
Robustnosť, vysoká výkonová kapacita a presné ovládanie, ktoré ponúkajú MV VFD, ich robia nepostrádateľnými v niekoľkých náročných sektoroch.
Nasledujúca tabuľka sumarizuje bežné aplikácie MV VFD a výhody riadenia procesov, ktoré prinášajú:
| priemysel | Typická aplikácia | Kľúčový prevádzkový prínos |
| Ropa a plyn | Kompresory (vratné a odstredivé), čerpadlá | Presná regulácia prietoku a tlaku, mäkký štart a energetická účinnosť. |
| Ťažba a cement | Drviče, dopravníky, mlyny (guľové a sagové) | Vysoký rozbehový krútiaci moment, regulácia otáčok pre optimalizované drvenie/mletie a znížené mechanické namáhanie. |
| Služby (voda/odpadová voda) | Vysokozdvižné čerpadlá, dúchadlá | Optimalizovaný prietok kvapaliny a kontrola hladiny, významné úspory energie vďaka premenlivým zaťaženiam krútiaceho momentu. |
| Generovanie energie | Napájacie čerpadlá kotlov, ventilátory ID/FD | Vylepšená účinnosť kotla, riadenie spaľovania a znížená spotreba pomocnej energie. |
Harmonické zmiernenie a úvahy o kvalite napájania
Významným technickým aspektom pre VN VFD je riadenie harmonického skreslenia, ktoré môže negatívne ovplyvniť elektrickú sieť a ďalšie pripojené zariadenia. Návrhy MV VFD to neodmysliteľne riešia prostredníctvom svojich viacpulzných a viacúrovňových konfigurácií.
Vstupná časť MV VFD typicky využíva viacimpulzový diódový usmerňovač (napr. 18- alebo 24-pulzný) spojený s transformátorom s fázovým posunom. Zvýšenie počtu impulzov minimalizuje veľkosť harmonických nižších rád injektovaných späť do siete. Niektoré moderné jednotky navyše využívajú aktívne predné konce (AFE), ktoré nahrádzajú pasívne usmerňovače aktívnymi spínačmi (IGBT). AFE sú v podstate druhým meničom, ktorý môže:
- Aktívne ovládajte a eliminujte harmonické skreslenie, čím dosiahnete vstupný účinník takmer jednotný (takmer 1,0).
- Umožňujú rekuperačné brzdenie, pri ktorom sa kinetická energia z motora vracia späť do elektrického vedenia, čo je kritická funkcia pre bremená, ako sú žeriavy a zjazdové dopravníky.
Implementácia MV VFD si vyžaduje starostlivý návrh a koordináciu na úrovni systému, aby sa zabezpečil súlad s normami verejných služieb (ako je IEEE 519) a maximalizovala spoľahlivosť systému a prevádzkové výhody.
