Przemysł energetyczny: napęd o zmiennej częstotliwości średniego napięcia

The Napęd o zmiennej częstotliwości średniego napięcia (MV VFD) to krytyczny element energoelektronicznego sprzętu umożliwiający precyzyjne sterowanie i wydajną pracę silników prądu przemiennego w szerokiej gamie zastosowań przemysłowych. Działając jako interfejs pomiędzy zasilaczem a silnikiem, przemiennik częstotliwości średniego napięcia moduluje częstotliwość i napięcie dostarczane do silnika, umożliwiając płynną i dokładną zmianę jego prędkości i momentu obrotowego.

Definicja średniego napięcia

W kontekście systemów elektroenergetycznych „średnie napięcie” ogólnie odnosi się do zakresu potencjału elektrycznego, zwykle mieszczącego się pomiędzy $1\text{kV}$ i $35\text{kV}$ . Zakres ten jest znacznie wyższy niż niskie napięcie stosowane w domach i małych budynkach komercyjnych (zwykle poniżej $1\text{kV}$ ). Silniki zaprojektowane do pracy przy wyższych poziomach napięcia są powszechne w gałęziach przemysłu ciężkiego, takich jak ropa i gaz, górnictwo, wytwarzanie energii, uzdatnianie wody i petrochemia, gdzie duża moc silnika (często $\text{MW}$ klasa) jest wymagana w przypadku pomp, sprężarek, wentylatlubów i systemów przenośników.

Podstawowa funkcja i technologia

Podstawową funkcją A Napęd o zmiennej częstotliwości średniego napięcia jest regulacja prędkości silnika. Kontrolując częstotliwość prądu przemiennego dostarczanego do silnika, przemiennik bezpośrednio steruje prędkością obrotową, zdefiniowaną przez wzór na prędkość synchroniczną silnika: $N_s=\frac{120f}{P}$ , gdzie $N_s$ jest prędkością synchroniczną, $f$ jest częstotliwością, oraz $P$ to liczba biegunów silnika.

Wewnętrzne działanie SN VFD obejmuje trzy główne etapy:

1. Sprostowanie: Przychodząca moc prądu przemiennego jest przekształcana na moc prądu stałego.

2. Połączenie DC: Moc prądu stałego jest wygładzana za pomocą kondensatorów lub cewek indukcyjnych.

3. Inwersja: Moc prądu stałego jest przekształcana z powrotem na moc prądu przemiennego z żądaną, zmienna częstotliwość i napięcie. Zwykle osiąga się to za pomocą przełączników półprzewodnikowych dużej mocy, takich jak Tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) or Tyrystory wyłączające bramkę (GTO) .

Ze względu na wyższe poziomy napięcia w napędach VFD SN stosuje się specjalistyczne topologie, np Falowniki wielopoziomowe (np. zacisk punktu neutralnego (NPC), latający kondensator lub kaskadowy mostek H (CHB)) — w celu zarządzania naprężeniem napięciowym w półprzewodnikach i uzyskania wysokiej jakości przebiegu wyjściowego (niskie zniekształcenia harmoniczne). Topologia kaskadowego mostka H jest szczególnie popularna, ponieważ umożliwia łączenie szeregowe standardowych komponentów niskiego napięcia w celu syntezy średniego napięcia.

Kluczowe zalety i zastosowania

Przyjęcie ww Napęd o zmiennej częstotliwości średniego napięcia oferuje przekonujące korzyści, które przekładają się na znaczące korzyści operacyjne:

• Oszczędność energii: Często jest to najważniejsza korzyść. W zastosowaniach pompowych i wentylatorowych zużywana moc jest proporcjonalna do sześcianu prędkości ( $P\propto N^3$ ). Niewielka redukcja prędkości osiągnięta za pomocą VFD prowadzi do znacznych oszczędności energii w porównaniu z tradycyjnymi metodami, takimi jak zawory dławiące lub amortyzatory.

• Kontrola procesu: Przetwornice częstotliwości umożliwiają precyzyjną kontrolę prędkości i momentu obrotowego, optymalizując procesy w celu uzyskania maksymalnej wydajności, jakości i wydajności.

• Zmniejszone naprężenia mechaniczne: Włączając miękki rozruch (stopniowe przyspieszanie), przetwornica częstotliwości znacznie zmniejsza wysokie prądy rozruchowe i wstrząsy mechaniczne związane z rozruchem bezpośrednim, przedłużając w ten sposób żywotność silnika i podłączonego sprzętu.

• Poprawa jakości zasilania: Nowoczesne konstrukcje VFD SN często zawierają funkcje minimalizujące zniekształcenia harmoniczne odbijane z powrotem do sieci energetycznej, zgodnie z rygorystycznymi normami jakości energii.

Te zalety sprawiają, że przetwornice częstotliwości SN są niezbędne w sektorach wymagających ciągłej pracy silników na dużą skalę. Typowe zastosowania obejmują:

1. Pompy i sprężarki: Optymalizacja przepływu w rurociągach, rafineriach i zakładach wodociągowych.

2. Wentylatory i dmuchawy: Sterowanie przepływem powietrza w piecach, elektrowniach i systemach wentylacyjnych.

3. Przenośniki i kruszarki: Zarządzanie prędkością i obciążeniem transportu materiałów w górnictwie i produkcji cementu.

4. Wytłaczarki i młyny: Zapewnienie precyzyjnej regulacji prędkości w procesach produkcyjnych.