Energiesector: de middenspanningsaandrijving met variabele frequentie

De Middenspanningsvariabele frequentieaenrijving (MV VFD) is een cruciaal onderdeel van vermogenselektronische apparatuur dat nauwkeurige controle en efficiënte werking van AC-motofen in een breed scala aan industriële toepassingen mogelijk maakt. De MV VFD functioneert als interface tussen de voeding en de motor en moduleert de frequentie en spanning die aan de motor worden geleverd, waardoor de snelheid en het koppel soepel en nauwkeurig kunnen worden gevarieerd.

Middenspanning definiëren

In de context van elektrische energiesystemen verwijst "middenspanning" doorgaans naar een bereik van elektrische potentiaal dat daar doorgaans tussen ligt $1\text{kV}$ and $35\text{kV}$ . Dit bereik is aanzienlijk hoger dan de laagspanning die wordt gebruikt in woningen en kleine commerciële gebouwen (meestal onder $1\text{kV}$ ). Motoren die zijn ontworpen om op deze hogere spanningsniveaus te werken, zijn gebruikelijk in zware industrieën zoals de olie- en gasindustrie, de mijnbouw, de energieopwekking, de waterzuivering en de petrochemie, waar grote motorvermogens (vaak $\text{Mw}$ klasse) is vereist voor pompen, compressoren, ventilatoren en transportsystemen.

Kernfunctie en technologie

De primary function of a Middenspanningsvariabele frequentieaenrijving is om het motortoerental te regelen. Door de frequentie van de wisselstroom die aan de motor wordt geleverd te regelen, regelt de frequentieregelaar rechtstreeks de rotatiesnelheid, zoals gedefinieerd door de synchrone snelheidsformule van de motor: $N_s=\frac{120f}{P}$ , waar $N_s$ is de synchrone snelheid, $f$ is de frequentie, en $P$ is het aantal motorpolen.

De internal operation of the MV VFD involves three main stages:

1. Rectificatie: Inkomende wisselstroom wordt omgezet in gelijkstroom.

2. DC-link: De DC power is smoothed using capacitors or inductors.

3. Inversie: De DC power is converted back into AC power with the desired, variabel frequentie en spanning. Dit wordt doorgaans bereikt met behulp van halfgeleiderschakelaars met hoog vermogen, zoals Bipolaire transistors met geïsoleerde poort (IGBT's) or Gate Turn-Off Thyristors (GTO's) .

Vanwege de hogere spanningsniveaus maken MV VFD's gebruik van gespecialiseerde topologieën Omvormers met meerdere niveaus (bijv. Neutral Point Clamped (NPC), Flying Capacitor of Cascaded H-Bridge (CHB)) - om de spanningsstress over de halfgeleiders te beheersen en een uitgangsgolfvorm van hoge kwaliteit (lage harmonische vervorming) te bereiken. De gecascadeerde H-brugtopologie is bijzonder populair omdat hierdoor standaard laagspanningscomponenten in serie kunnen worden geschakeld om de middenspanning te synthetiseren.

Belangrijkste voordelen en toepassingen

De adoption of the Middenspanningsvariabele frequentieaenrijving biedt overtuigende voordelen die zich vertalen in aanzienlijke operationele voordelen:

• Energiebesparing: Dit is vaak het grootste voordeel. Bij pomp- en ventilatortoepassingen is het verbruikte vermogen evenredig met de derde macht van de snelheid ( $P\propto N^3$ ). Een kleine snelheidsreductie die via de VFD wordt bereikt, leidt tot aanzienlijke energiebesparingen vergeleken met traditionele methoden zoals smoorkleppen of dempers.

• Procesbeheersing: VFD's maken nauwkeurige snelheids- en koppelregeling mogelijk, waardoor processen worden geoptimaliseerd voor maximale efficiëntie, kwaliteit en output.

• Verminderde mechanische spanning: Door in te schakelen zacht starten (geleidelijke versnelling) vermindert de VFD de hoge inschakelstromen en mechanische schokken die gepaard gaan met direct-on-line starten aanzienlijk, waardoor de levensduur van de motor en de aangesloten apparatuur wordt verlengd.

• Verbetering van de stroomkwaliteit: Moderne MV VFD-ontwerpen bevatten vaak functies die de harmonische vervorming minimaliseren die wordt teruggekaatst op het elektriciteitsnet, waarbij wordt voldaan aan strenge normen voor stroomkwaliteit.

Dese advantages make the MV VFD indispensable in sectors requiring continuous, large-scale motor operation. Common applications include:

1. Pompen en compressoren: Optimaliseren van de doorstroming in pijpleidingen, raffinaderijen en waterbedrijven.

2. Fans en blowers: Controle van de luchtstroom in ovens, energiecentrales en ventilatiesystemen.

3. Transportbanden en brekers: Beheer van de materiaalverwerkingssnelheid en -belasting in de mijnbouw en cementproductie.

4. Extruders en molens: Zorgt voor nauwkeurige snelheidsregeling in productieprocessen.