De essentiële gids voor middenspannings-VFD-topologieën en industriële toepassingen

De cruciale rol van middenspannings-VFD's in industriële efficiëntie en procescontrole

Middenspanningsregelaars met variabele frequentie (MV VFD's) zijn essentiële vermogenselektronische apparaten die worden gebruikt om de rotatiesnelheid, het koppel en de richting te regelen van AC-motoren die werken bij spanningen die doorgaans variëren van 1 kV tot 15 kV. In tegenstelling tot laagspannings-VFD's kunnen MV-drives aanzienlijk hogere stroomvereisten aan, vaak variërend van honderden kilowatt tot meer dan 100 megawatt, waardoor ze cruciale componenten zijn in grootschalige industriële en nutstoepassingen.

Het belangrijkste voordeel van de inzet van MV-VFD's is de aanzienlijke energiebesparing die wordt bereikt door het motortoerental nauwkeurig af te stemmen op de vereiste belasting, vooral bij toepassingen met variabel koppel zoals pompen en ventilatoren. Bovendien bieden ze superieure procescontrole, verminderen ze de mechanische belasting tijdens het starten van de motor en bieden ze waardevolle eigenschappen voor de netvoedingskwaliteit, zoals arbeidsfactorcorrectie en harmonische mitigatie.

Geavanceerde topologieën en architectonisch ontwerp van MV VFD's

De interne architectuur van MV-VFD's is aanzienlijk diverser en complexer dan die van hun laagspanningstegenhangers vanwege de noodzaak om met hoge spanningen om te gaan en harmonische vervorming te verminderen. MV-drives maken doorgaans gebruik van een drietrapsontwerp: een converter (gelijkrichter) om AC naar DC om te zetten, een DC-link voor energieopslag en afvlakking, en een omvormer om de DC weer om te zetten in wisselstroom met variabele frequentie voor de motor.

Multi-level omvormertopologieën voor verbeterde uitgangskwaliteit

Om een meer sinusoïdale, "motorvriendelijke" uitgangsgolfvorm te produceren en de spanningsstijgtijd ( ) te beperken die de motorisolatie kan beschadigen, maken MV VFD's doorgaans gebruik van invertertopologieën met meerdere niveaus. Deze ontwerpen synthetiseren de AC-uitgangsspanning in meerdere stappen (niveaus) in plaats van twee, wat gebruikelijk is bij laagspanningsaandrijvingen. Twee prominente topologieën met meerdere niveaus zijn onder meer:

• Cascaded H-Bridge (CHB): Deze populaire spanningsbrontopologie maakt gebruik van meerdere in serie geschakelde laagspannings-H-brugcellen per fase. Elke cel heeft zijn eigen ingangsgelijkrichter en de gecombineerde uitgang zorgt voor een hoogwaardige, meerstapsgolfvorm. CHB vereist vaak een complexe faseverschuivende ingangstransformator met meerdere wikkelingen, die doorgaans in het aandrijfpakket is geïntegreerd.
• Neutral Point Clamped (NPC): De NPC-topologie met 3 niveaus is goed ingeburgerd en maakt gebruik van diodes of actieve schakelaars om de uitgangsspanning naar een neutraal punt te klemmen, waardoor drie spanningsniveaus worden gecreëerd. Het biedt een compact ontwerp en is geschikt voor spanningen tot ongeveer 4,16 kV. Geavanceerde varianten zoals de Active Neutral Point Clamped (ANPC) of NPC van een hoger niveau worden ook gebruikt.

Architectuur van stroombronomvormer (CSI) versus spanningsbronomvormer (VSI).

MV VFD's kunnen ook grofweg worden gecategoriseerd op basis van hun DC-linkcomponent:

• Spanningsbronomvormer (VSI): Dit is de modernere en meest gebruikte benadering, waarbij condensatoren in de DC-tussenkring worden gebruikt om een constante gelijkspanning op te slaan en te regelen. VSI-drives gebruiken IGBT's in het omvormergedeelte en staan ​​bekend om hun goede dynamische prestaties. Topologieën met meerdere niveaus zoals CHB en NPC zijn VSI-varianten.
• Current Source Inverter (CSI): Een volwassen technologie die gebruik maakt van een grote inductor in de DC-tussenkring om een ​​constante gelijkstroom te handhaven. CSI-schijven maken vaak gebruik van Gate Turn-Off (GTO)-thyristors of modernere apparaten zoals SGCT's (Symmetric Gate Commutated Thyristors) in de omvormer. Ze zijn robuust en worden vaak gebruikt in toepassingen met zeer grote vermogens of bij synchrone motoren.

Kritieke toepassingen in belangrijke industrieën

De robuustheid, het hoge vermogen en de nauwkeurige controle die MV VFD's bieden, maken ze onmisbaar in verschillende veeleisende sectoren.

De volgende tabel geeft een overzicht van veelgebruikte MV-VFD-toepassingen en de procesbesturingsvoordelen die deze bieden:

Harmonische mitigatie en overwegingen voor de stroomkwaliteit

Een belangrijke technische overweging voor MV-VFD's is het beheersen van harmonische vervorming, die een negatieve invloed kan hebben op het elektriciteitsnet en andere aangesloten apparatuur. MV VFD-ontwerpen pakken dit inherent aan via hun configuraties met meerdere pulsen en meerdere niveaus.

Het ingangsgedeelte van een MV VFD maakt doorgaans gebruik van een meerpulsdiodegelijkrichter (bijvoorbeeld 18 pulsen of 24 pulsen) gekoppeld aan een faseverschuivende transformator. Door het aantal pulsen te verhogen, wordt de omvang van de harmonischen van lage orde die terug in de elektriciteitsleiding worden geïnjecteerd, geminimaliseerd. Bovendien maken sommige moderne schijven gebruik van Active Front Ends (AFE's), die passieve gelijkrichters vervangen door actieve schakelaars (IGBT's). AFE's zijn in wezen een tweede omvormer die:

• Beheers en elimineer actief harmonische vervorming, waardoor een ingangsvermogensfactor van bijna één wordt bereikt (dicht bij 1,0).
• Maak regeneratief remmen mogelijk, waarbij kinetische energie van de motor wordt teruggevoerd naar de voedingslijn, een cruciaal kenmerk voor lasten zoals kranen en bergafwaartse transportbanden.

Het implementeren van MV VFD's vereist een zorgvuldig ontwerp en coördinatie op systeemniveau om naleving van nutsnormen (zoals IEEE 519) te garanderen en de systeembetrouwbaarheid en operationele voordelen te maximaliseren.