Kluczowa rola napędów VFD średniego napięcia w wydajności przemysłowej i kontroli procesów
Przemienniki częstotliwości średniego napięcia (Przetwornice częstotliwości SN) to podstawowe urządzenia energoelektroniczne stosowane do sterowania prędkością obrotową, momentem obrotowym i kierunkiem silników prądu przemiennego pracujących przy napięciach zwykle w zakresie od 1 kV do 15 kV. W przeciwieństwie do niskonapięciowych napędów VFD, napędy SN radzą sobie ze znacznie większymi wymaganiami dotyczącymi mocy, często sięgającymi od setek kilowatów do ponad 100 megawatów, co czyni je krytycznymi komponentami w wielkoskalowych zastosowaniach przemysłowych i użyteczności publicznej.
Podstawową korzyścią wynikającą z zastosowania napędów VFD średniego napięcia jest znaczna oszczędność energii osiągnięta dzięki precyzyjnemu dopasowaniu prędkości silnika do wymaganego obciążenia, szczególnie w zastosowaniach ze zmiennym momentem obrotowym, takich jak pompy i wentylatory. Co więcej, zapewniają doskonałą kontrolę procesu, zmniejszają naprężenia mechaniczne podczas rozruchu silnika i zapewniają cenne funkcje związane z jakością energii, takie jak korekcja współczynnika mocy i ograniczanie harmonicznych.
Zaawansowane topologie i projekty architektoniczne napędów VFD średniego napięcia
Wewnętrzna architektura napędów VFD SN jest znacznie bardziej zróżnicowana i złożona niż ich niskonapięciowych odpowiedników ze względu na konieczność obsługi wysokich napięć i łagodzenia zniekształceń harmonicznych. Napędy SN mają zazwyczaj konstrukcję trójstopniową: przetwornicę (prostownik) do przekształcania prądu przemiennego na prąd stały, łącze prądu stałego do magazynowania i wygładzania energii oraz falownik do przekształcania prądu stałego z powrotem na prąd przemienny o zmiennej częstotliwości dla silnika.
Wielopoziomowe topologie falowników zapewniające lepszą jakość wydruku
Aby wytworzyć bardziej sinusoidalny, „przyjazny silnikowi” kształt fali wyjściowej i ograniczyć czas narastania napięcia ( ), który może uszkodzić izolację silnika, w napędach VFD SN zazwyczaj wykorzystuje się topologie falowników wielopoziomowych. Konstrukcje te syntetyzują napięcie wyjściowe prądu przemiennego w wielu etapach (poziomach), a nie w dwóch, co jest powszechne w napędach niskonapięciowych. Dwie najważniejsze topologie wielopoziomowe obejmują:
- Kaskadowy mostek H (CHB): Ta popularna topologia źródła napięcia wykorzystuje wiele połączonych szeregowo ogniw z mostkiem H niskiego napięcia na fazę. Każde ogniwo ma własny prostownik wejściowy, a połączone wyjście zapewnia wysokiej jakości, wielostopniowy przebieg. CHB często wymaga złożonego, wielouzwojeniowego transformatora wejściowego z przesunięciem fazowym, który jest zwykle zintegrowany z pakietem przemiennika.
- Zacisk punktu neutralnego (NPC): 3-poziomowa topologia NPC jest dobrze ugruntowana i wykorzystuje diody lub aktywne przełączniki do zaciskania napięcia wyjściowego do punktu neutralnego, tworząc trzy poziomy napięcia. Ma zwartą konstrukcję i jest odpowiedni dla napięć do około 4,16 kV. Stosowane są również zaawansowane warianty, takie jak aktywny zacisk punktu neutralnego (ANPC) lub NPC wyższego poziomu.
Architektura falownika źródła prądu (CSI) a falownika źródła napięcia (VSI).
Przetwornice częstotliwości SN można również ogólnie podzielić na kategorie na podstawie ich elementu łącza prądu stałego:
- Falownik źródła napięcia (VSI): Jest to bardziej nowoczesne i powszechnie stosowane podejście, wykorzystujące kondensatory w obwodzie prądu stałego do przechowywania i regulowania stałego napięcia prądu stałego. Napędy VSI wykorzystują tranzystory IGBT w sekcji falownika i są znane z dobrej wydajności dynamicznej. Topologie wielopoziomowe, takie jak CHB i NPC, są wariantami VSI.
- Falownik ze źródłem prądu (CSI): Dojrzała technologia wykorzystująca dużą cewkę indukcyjną w łączu prądu stałego w celu utrzymania stałego prądu stałego. Napędy CSI często wykorzystują w falowniku tyrystory z funkcją wyłączania bramki (GTO) lub bardziej nowoczesne urządzenia, takie jak tyrystory SGCT (Symmetric Gate Commutated Thyristors). Są wytrzymałe i często stosowane w zastosowaniach o bardzo dużej mocy lub w silnikach synchronicznych.
Krytyczne zastosowania w kluczowych branżach
Solidność, duża moc i precyzyjne sterowanie oferowane przez VFD średniego napięcia sprawiają, że są one niezbędne w kilku wymagających sektorach.
Poniższa tabela podsumowuje typowe zastosowania napędów VFD średniego napięcia i korzyści, jakie zapewniają w zakresie kontroli procesu:
| Przemysł | Typowe zastosowanie | Kluczowa korzyść operacyjna |
| Ropa i gaz | Sprężarki (tłokowe i odśrodkowe), pompy | Precyzyjna regulacja przepływu i ciśnienia, łagodny rozruch i energooszczędność. |
| Górnictwo i cement | Kruszarki, przenośniki, młyny (kulowe i zwisające) | Wysoki moment rozruchowy, kontrola prędkości dla zoptymalizowanego kruszenia/mielenia i zmniejszone naprężenia mechaniczne. |
| Media (woda/ścieki) | Pompy wysokiego podnoszenia, dmuchawy | Zoptymalizowany przepływ i kontrola poziomu płynu, znaczne oszczędności energii dzięki obciążeniom zmiennym momentem obrotowym. |
| Wytwarzanie energii | Pompy zasilające kotły, wentylatory ID/FD | Poprawiona wydajność kotła, kontrola spalania i zmniejszone zużycie energii pomocniczej. |
Zagadnienia dotyczące ograniczania harmonicznych i jakości energii
Istotną kwestią techniczną dotyczącą napędów VFD SN jest zarządzanie zniekształceniami harmonicznymi, które mogą negatywnie wpływać na sieć energetyczną i inny podłączony sprzęt. Projekty SN VFD z natury rozwiązują ten problem poprzez konfiguracje wieloimpulsowe i wielopoziomowe.
Sekcja wejściowa VFD SN zazwyczaj wykorzystuje wieloimpulsowy prostownik diodowy (np. 18-impulsowy lub 24-impulsowy) połączony z transformatorem przesuwającym fazę. Zwiększenie liczby impulsów minimalizuje wielkość harmonicznych niskiego rzędu wprowadzanych z powrotem do linii energetycznej. Co więcej, niektóre nowoczesne napędy wykorzystują aktywne moduły front-end (AFE), które zastępują pasywne prostowniki aktywnymi przełącznikami (IGBT). AFE to zasadniczo drugi falownik, który może:
- Aktywnie kontroluj i eliminuj zniekształcenia harmoniczne, osiągając współczynnik mocy wejściowej bliski jedności (blisko 1,0).
- Umożliwia hamowanie regeneracyjne, podczas którego energia kinetyczna z silnika jest przekazywana z powrotem do linii energetycznej, co jest cechą krytyczną w przypadku ładunków takich jak dźwigi i przenośniki zjazdowe.
Wdrożenie napędów VFD średniego napięcia wymaga starannego projektowania i koordynacji na poziomie systemu, aby zapewnić zgodność ze standardami użyteczności publicznej (takimi jak IEEE 519) oraz zmaksymalizować niezawodność systemu i korzyści operacyjne.
