Keskijännitteisten VFD-laitteiden ratkaiseva rooli teollisuuden tehokkuudessa ja prosessin ohjauksessa
Keskijännitteiset taajuusmuuttajat (MV VFD) ovat tärkeitä tehoelektroniikkalaitteita, joita käytetään säätämään vaihtovirtamoottoreiden pyörimisnopeutta, vääntömomenttia ja suuntaa tyypillisesti 1 kV - 15 kV jännitteillä. Toisin kuin pienjännitetaajuusmuuttajat, MV-taajuusmuuttajat käsittelevät huomattavasti korkeampia tehovaatimuksia, jotka ulottuvat usein sadoista kilowateista yli 100 megawattiin, mikä tekee niistä kriittisiä komponentteja suurissa teollisuus- ja yleishyödyllisissä sovelluksissa.
MV VFD:n käyttöönoton ensisijainen etu on huomattava energiansäästö, joka saavutetaan sovittamalla moottorin nopeus tarkasti vaadittuun kuormaan, erityisesti vaihtelevan vääntömomentin sovelluksissa, kuten pumpuissa ja puhaltimissa. Lisäksi ne tarjoavat erinomaisen prosessinhallinnan, vähentävät mekaanista rasitusta moottorin käynnistysten aikana ja tarjoavat arvokkaita tehonlaatuominaisuuksia, kuten tehokertoimen korjauksen ja harmonisen vaimennuksen.
MV VFD:iden kehittyneet topologiat ja arkkitehtuurisuunnittelu
MV VFD:iden sisäinen arkkitehtuuri on huomattavasti monimuotoisempi ja monimutkaisempi kuin pienjännitteisten kollegoidensa johtuen tarpeesta käsitellä suuria jännitteitä ja vähentää harmonista säröä. MV-käytöt käyttävät yleensä kolmivaiheista rakennetta: muuntaja (tasasuuntaaja) vaihtovirran muuntamiseksi tasavirtaan, DC-linkki energian varastointia ja tasoitusta varten ja invertteri, joka muuntaa tasavirran takaisin muuttuvataajuiseksi vaihtovirtalähteeksi moottorille.
Monitasoiset invertteritopologiat tehostamaan lähtölaatua
MV VFD:t käyttävät tyypillisesti monitasoisia invertteritopologioita tuottaakseen sinimuotoisemman, "moottoriystävällisemmän" lähtöaaltomuodon ja rajoittaakseen jännitteen nousuaikaa ( ), joka voi vahingoittaa moottorin eristystä. Nämä mallit syntetisoivat vaihtovirtalähtöjännitteen useissa vaiheissa (tasoina) kahden asteen sijaan, mikä on yleistä pienjänniteasemissa. Kaksi näkyvää monitasoista topologiaa ovat:
- Cascaded H-Bridge (CHB): Tämä suosittu jännitelähdetopologia käyttää useita sarjaan kytkettyjä pienjännitteisiä H-siltakennoja vaihetta kohden. Jokaisella solulla on oma sisääntulotasasuuntaaja, ja yhdistetty lähtö tuottaa korkealaatuisen, monivaiheisen aaltomuodon. CHB vaatii usein monimutkaisen monikäämin vaiheensiirrettävän tulomuuntajan, joka on tyypillisesti integroitu taajuusmuuttajapakettiin.
- Neutral Point Clamped (NPC): 3-tasoinen NPC-topologia on vakiintunut ja käyttää diodeja tai aktiivisia kytkimiä puristamaan lähtöjännitteen nollapisteeseen luoden kolme jännitetasoa. Se tarjoaa kompaktin rakenteen ja sopii noin 4,16 kV:n jännitteille. Edistyneitä muunnelmia, kuten Active Neutral Point Clamped (ANPC) tai korkeamman tason NPC, käytetään myös.
Virtalähdeinvertteri (CSI) vs. Voltage Source Invertter (VSI) -arkkitehtuurit
MV VFD:t voidaan myös luokitella laajasti niiden DC-linkkikomponentin perusteella:
- Voltage Source Inverter (VSI): Tämä on nykyaikaisempi ja laajemmin käytetty lähestymistapa, jossa käytetään DC-linkissä kondensaattoreita tallentamaan ja säätelemään vakiotasajännitettä. VSI-taajuusmuuttajat käyttävät IGBT:itä invertteriosassa, ja ne tunnetaan hyvästä dynaamisesta suorituskyvystä. Monitasoiset topologiat, kuten CHB ja NPC, ovat VSI-muunnelmia.
- Current Source Inverter (CSI): Kypsä tekniikka, joka käyttää suurta kelaa DC-linkissä ylläpitämään tasaista tasavirtaa. CSI-asemat käyttävät invertterissä usein Gate Turn-Off (GTO) -tyristoreita tai nykyaikaisempia laitteita, kuten SGCT:itä (Symmetric Gate Commutated Thyristors). Ne ovat kestäviä ja niitä käytetään usein erittäin suurissa tehosovelluksissa tai synkronisten moottoreiden kanssa.
Kriittiset sovellukset keskeisillä toimialoilla
MV VFD:iden tarjoama kestävyys, suuri tehokapasiteetti ja tarkka ohjaus tekevät niistä välttämättömiä useilla vaativilla aloilla.
Seuraavassa taulukossa on yhteenveto yleisistä MV VFD -sovelluksista ja niiden tarjoamista prosessinohjauseduista:
| Teollisuus | Tyypillinen sovellus | Keskeinen toiminnallinen hyöty |
| Öljy ja kaasu | Kompressorit (mäntä- ja keskipako), pumput | Tarkka virtauksen ja paineen säätö, pehmeä käynnistys ja energiatehokkuus. |
| Kaivostoiminta ja sementti | Murskaimet, kuljettimet, myllyt (pallo ja sag) | Suuri käynnistysmomentti, nopeudensäätö optimoida murskaus/hionta ja vähentää mekaanista rasitusta. |
| Palvelut (vesi/jätevesi) | Korkean noston pumput, puhaltimet | Optimoitu nestevirtauksen ja tason säätö, merkittävä energiansäästö muuttuvien vääntömomenttikuormien ansiosta. |
| Sähköntuotanto | Kattilan syöttöpumput, ID/FD-tuulettimet | Parempi kattilan hyötysuhde, palamisen hallinta ja pienempi lisävirrankulutus. |
Harmonisen tasapainon ja virranlaadun huomioiminen
Merkittävä tekninen näkökohta MV VFD:issä on harmonisten vääristymien hallinta, joka voi vaikuttaa negatiivisesti sähköverkkoon ja muihin liitettyihin laitteisiin. MV VFD -mallit ratkaisevat tämän luonnostaan monipulssi- ja monitasokonfiguraatioillaan.
MV VFD:n tuloosassa käytetään tyypillisesti monipulssista dioditasasuuntaajaa (esim. 18-pulssia tai 24-pulssia), joka on kytketty vaiheensiirtomuuntajaan. Pulssimäärän lisääminen minimoi matalan kertaluvun harmonisten voimakkuuden, joka ruiskutetaan takaisin sähköjohtoon. Lisäksi jotkin nykyaikaiset asemat käyttävät Active Front Ends (AFE) -laitteita, jotka korvaavat passiiviset tasasuuntaajat aktiivisilla kytkimillä (IGBT). AFE:t ovat pohjimmiltaan toinen invertteri, joka voi:
- Ohjaa ja eliminoi harmonisia vääristymiä aktiivisesti saavuttaen lähes yhtenäisen tulotehokertoimen (lähes 1,0).
- Salli regeneratiivinen jarrutus, jossa moottorin liike-energia syötetään takaisin voimalinjaan, mikä on kriittinen ominaisuus kuormille, kuten nostureille ja alamäkeen kuljettimille.
MV VFD:ien käyttöönotto edellyttää huolellista järjestelmätason suunnittelua ja koordinointia, jotta varmistetaan apuohjelmien standardien (kuten IEEE 519) noudattaminen ja maksimoidaan järjestelmän luotettavuus ja käyttöedut.
