Ghidul esențial pentru topologii VFD de medie tensiune și aplicații industriale

Rolul crucial al VFD-urilor de medie tensiune în eficiența industrială și controlul proceselor

Unități de frecvență variabilă de medie tensiune (MV VFD) sunt dispozitive electronice de putere esențiale utilizate pentru a controla viteza de rotație, cuplul și direcția motoarelor de curent alternativ care funcționează la tensiuni de obicei cuprinse între 1 kV și 15 kV. Spre deosebire de VFD-urile de joasă tensiune, unitățile MV fac față cerințelor de putere semnificativ mai mari, extinzându-se adesea de la sute de kilowați până la peste 100 de megawați, făcându-le componente critice în aplicațiile industriale și de utilități pe scară largă.

Avantajul principal al implementării VFD-urilor MV este economiile considerabile de energie realizate prin potrivirea precisă a vitezei motorului la sarcina necesară, în special în aplicațiile cu cuplu variabil, cum ar fi pompele și ventilatoarele. În plus, oferă un control superior al procesului, reduc stresul mecanic în timpul pornirii motorului și oferă caracteristici valoroase de calitate a energiei, cum ar fi corecția factorului de putere și atenuarea armonică.

Topologii avansate și proiectare arhitecturală a VFD-urilor MV

Arhitectura internă a VFD-urilor MV este mult mai diversă și complexă decât omologii lor de joasă tensiune, datorită necesității de a gestiona tensiuni înalte și de a atenua distorsiunile armonice. Variațiile MV folosesc, în general, un design în trei trepte: un convertor (redresoare) pentru a transforma AC în DC, o legătură DC pentru stocarea și netezirea energiei și un invertor pentru a converti curentul continuu înapoi în curent alternativ cu frecvență variabilă pentru motor.

Topologii de invertoare cu mai multe niveluri pentru o calitate îmbunătățită a ieșirii

Pentru a produce o formă de undă de ieșire mai sinusoidală, „prietenoasă pentru motor” și pentru a limita timpul de creștere a tensiunii ( ) care poate deteriora izolația motorului, VFD-urile MV utilizează de obicei topologii de invertor cu mai multe niveluri. Aceste modele sintetizează tensiunea de ieșire AC în mai mulți pași (niveluri), mai degrabă decât în ​​doi, ceea ce este obișnuit la unitățile de joasă tensiune. Două topologii proeminente pe mai multe niveluri includ:

• H-Bridge în cascadă (CHB): Această topologie populară de sursă de tensiune utilizează mai multe celule H-bridge de joasă tensiune conectate în serie pe fază. Fiecare celulă are propriul redresor de intrare, iar ieșirea combinată oferă o formă de undă de înaltă calitate, cu mai multe trepte. CHB necesită adesea un transformator complex de intrare cu defazare cu mai multe înfășurări, care este de obicei integrat în pachetul de acționare.
• Punct neutru fixat (NPC): Topologia NPC cu 3 niveluri este bine stabilită și utilizează diode sau comutatoare active pentru a fixa tensiunea de ieșire la un punct neutru, creând trei niveluri de tensiune. Oferă un design compact și este potrivit pentru tensiuni de până la aproximativ 4,16 kV. Sunt utilizate și variante avansate, cum ar fi Active Neutral Point Clamped (ANPC) sau NPC de nivel superior.

Invertorul de sursă de curent (CSI) vs. Arhitecturile invertorului de sursă de tensiune (VSI).

VFD-urile MV pot fi, de asemenea, clasificate pe scară largă pe baza componentei lor DC link:

• Invertor de sursă de tensiune (VSI): Aceasta este abordarea mai modernă și utilizată pe scară largă, care utilizează condensatori în legătura CC pentru a stoca și regla o tensiune continuă constantă. Unitățile VSI folosesc IGBT-uri în secțiunea invertorului și sunt cunoscute pentru performanțe dinamice bune. Topologiile cu mai multe niveluri precum CHB și NPC sunt variante VSI.
• Invertor sursă de curent (CSI): O tehnologie matură care utilizează un inductor mare în legătura DC pentru a menține un curent continuu constant. Unitățile CSI folosesc adesea tiristoare Gate Turn-Off (GTO) sau dispozitive mai moderne, cum ar fi SGCT-urile (Symmetric Gate Commutate Thyristors) în invertor. Sunt robuste și utilizate frecvent în aplicații cu putere foarte mare sau cu motoare sincrone.

Aplicații critice în industriile cheie

Robustețea, capacitatea mare de putere și controlul precis oferite de VFD MV le fac indispensabile în mai multe sectoare solicitante.

Următorul tabel rezumă aplicațiile comune MV VFD și beneficiile de control al procesului pe care le oferă:

Considerații privind reducerea armonicii și calitatea energiei

O considerație tehnică semnificativă pentru VFD-urile MV este gestionarea distorsiunii armonice, care poate avea un impact negativ asupra rețelei electrice și a altor echipamente conectate. Designurile MV VFD abordează în mod inerent acest lucru prin configurațiile lor cu mai multe impulsuri și mai multe niveluri.

Secțiunea de intrare a unui VFD MV utilizează de obicei un redresor cu diodă cu mai multe impulsuri (de exemplu, 18 impulsuri sau 24 de impulsuri) cuplat cu un transformator cu defazare. Creșterea numărului de impulsuri minimizează magnitudinea armonicilor de ordin inferior injectate înapoi în linia de utilități. În plus, unele unități moderne folosesc Active Front Ends (AFE), care înlocuiesc redresoarele pasive cu comutatoare active (IGBT). AFE sunt în esență un al doilea invertor care poate:

• Controlați și eliminați în mod activ distorsiunea armonică, obținând un factor de putere de intrare aproape de unitate (aproape de 1,0).
• Permite frânarea regenerativă, în care energia cinetică de la motor este reintrodusă în linia de alimentare, o caracteristică critică pentru sarcini precum macaralele și transportoarele în vale.

Implementarea VFD-urilor MV necesită o proiectare și o coordonare atentă la nivel de sistem pentru a asigura conformitatea cu standardele de utilități (cum ar fi IEEE 519) și pentru a maximiza fiabilitatea sistemului și beneficiile operaționale.