درایوهای AC ولتاژ متوسط: اندازه، توپولوژی ها، و خنک کننده بدون اصطلاحات خاص

درایو AC ولتاژ متوسط ​​دقیقاً چیست (و چه کسی به آن نیاز دارد)؟

اگر نیروگاه شما موتورهای بزرگتر از 250 کیلو وات (حدود 350 اسب بخار) را کار می کند، احتمالاً به حد مجاز درایوهای ولتاژ پایین 480 ولت رسیده اید. اینجاست که درایوهای AC ولتاژ متوسط ​​وارد می شوند - آنها از 2.3 کیلو ولت تا 11 کیلو ولت کار می کنند و موتورهایی را که صدها یا حتی هزاران آمپر می کشند کنترل می کنند. به فن های غول پیکر، پمپ های دوغاب، کمپرسورها، نوار نقاله ها و کارخانه های نورد فکر کنید. اما نکته اینجاست: درایوهای MV در مقایسه با پسرعموهای ولتاژ پایین خود، جانوری کاملاً متفاوت هستند. قطعات بزرگتر، خنک کننده پیچیده تر، و هزینه یک اشتباه نجومی است - ما در مورد برچسب قیمت شش رقمی و هفته ها از کار افتادگی صحبت می کنیم. این راهنما بروشورهای سازنده را برش می‌دهد و مهره‌ها و پیچ‌های کاربردی را که واقعاً باید بدانید در اختیار شما قرار می‌دهد.

MV در مقابل LV - چرا با ولتاژ بالاتر زحمت بکشیم؟

پاسخ ساده فیزیک است. توان برابر است با ولتاژ ضربدر جریان (P = V × I). اگر نیاز دارید 2 مگاوات را به یک موتور فشار دهید، در ولتاژ 480 ولت به بیش از 4000 آمپر نیاز دارید - که به باسبارهایی به ضخامت بازو و کابل هایی نیاز دارد که به سختی می توانید خم کنید. در 4.16 کیلو ولت، جریان به زیر 500 آمپر کاهش می یابد. کابل‌های کوچک‌تر، تلفات حرارتی I²R کمتر، تابلوی برق کوچک‌تر، و می‌توانید درایو را دورتر از موتور قرار دهید، بدون اینکه کابل‌های خود را به بخاری‌های فضایی تبدیل کنید. به همین دلیل است که تقریباً هر موتور بالاتر از 500 کیلووات در محیط صنعتی با یک درایو AC با ولتاژ متوسط ​​کار می کند. این در مورد شیک بودن نیست - بلکه در مورد کنترل مس و قبض برق است.

اندازه یک درایو AC MV - این فقط در مورد اسب بخار نیست

سایز بندی a درایو ولتاژ متوسط هنر بیشتر از یک صفحه گسترده ساده است. بله، شما با پلاک موتور شروع می کنید – آمپرهای بار کامل (FLA)، ولتاژ، سرعت و ضریب توان. اما برنامه های کاربردی در دنیای واقعی کتاب درسی کامل نیستند. در اینجا چیزی است که شما کاملاً باید بررسی کنید:

• چرخه وظیفه اضافه بار – آیا موتور شما به 110% برای 60 ثانیه یا 150% برای 30 ثانیه نیاز دارد؟ وظیفه پمپ و فن معمولاً سبک است، اما سنگ شکن ها و اکسترودرها می توانند به طور منظم 120٪ یا بیشتر ضربه بزنند. اندازه جریان درایو را تا حداکثر اضافه بار، نه فقط جریان در حال اجرا، تنظیم کنید.
• کاهش ارتفاع – درایوهای MV استاندارد تا ارتفاع 1000 متری از سطح دریا رتبه بندی می شوند. بالاتر از آن، هوا رقیق تر می شود و راندمان خنک کننده کاهش می یابد. شما معمولاً جریان خروجی را 1٪ در هر 100 متر بالای 1000 متر کاهش می دهید. از این کار صرف نظر کنید و رانندگی شما در تابستان با دمای بیش از حد حرکت می کند.
• دمای محیط - اکثر درایوها حداکثر دمای 40 درجه سانتیگراد دارند. اگر دمای اتاق برق شما به 50 درجه سانتیگراد رسید (معمولاً در کارخانه های فولادسازی یا آب و هوای بیابانی)، باید سیستم خنک کننده را کاهش دهید یا ارتقا دهید.
• طول کابل موتور – هر چه کابل بین درایو و موتور طولانی تر باشد، ظرفیت خازنی بیشتر می شود. بالاتر از 150 تا 200 متر، شما شروع به نیاز به فیلترهای خروجی می کنید (در ادامه در مورد آن بیشتر توضیح می دهیم). این را در هزینه کل خود لحاظ کنید.

یک قانون کلی خوب این است که اندازه درایو را برای حداقل 115٪ از FLA موتور برای کاربردهای گشتاور ثابت، و 110٪ برای گشتاور متغیر (پنکه/پمپ) اندازه گیری کنید. همیشه از سازنده درایو یک پیشنهاد اندازه‌گیری با پشتیبانی نرم‌افزار آنها بخواهید - و منحنی اضافه بار را دوباره بررسی کنید.

دو توپولوژی اصلی - VSI در مقابل LCI - کدام یک برنده است؟

وقتی محفظه یک درایو AC ولتاژ متوسط ​​را باز می‌کنید، یکی از دو طرح اصلی را خواهید یافت: اینورتر منبع ولتاژ (VSI) یا اینورتر با تغییر بار (LCI). آنها شبیه به نظر می آیند اما کاملا متفاوت عمل می کنند، و انتخاب نامناسب برای برنامه شما هزینه گزافی از نظر عملکرد، کارایی و قابلیت اطمینان شما خواهد داشت.

VSI – The Workhorse (نقطه خنثی بسته شده / چند سطحی)

درایوهای VSI از یک گذرگاه DC با خازن استفاده می کنند و یک شکل موج AC پلکانی را با استفاده از IGBT (یا IGCT) ترکیب می کنند. رایج ترین طعم MV توپولوژی 3 یا 5 سطح NPC (Neutral Point Clamped) است. آنها شکل موج خروجی تمیز، پاسخ دینامیکی سریع را به شما می دهند و می توانند چندین موتور را از یک درایو راه اندازی کنند. آنها برای بارهای گشتاور متغیر مانند فن ها، پمپ ها و حتی کاربردهای با کارایی بالا مانند پایه های تست عالی هستند. جنبه منفی؟ آنها نسبت به اختلالات شبکه حساس تر هستند و خازن های پیوند DC طول عمر محدودی دارند (معمولاً 10 تا 15 سال).

LCI – ماهیچه (سنگ شکن و کمپرسور)

درایوهای LCI از تریستور و یک سلف پیوند DC استفاده می کنند - بدون خازن. آنها برای خاموش کردن تریستورها به EMF پشتی موتور (نیروی محرکه الکتریکی) متکی هستند، به این معنی که آنها فقط با موتورهای سنکرون (یا موتورهای القایی روتور پیچشی) کار می کنند. درایوهای LCI پادشاهان قدرت بسیار بالا هستند - بین 5 تا 50 مگاوات فکر کنید. آنها قوی هستند، در برابر افتادگی شبکه مقاوم هستند و به طور طبیعی احیاکننده هستند (آنها می توانند انرژی را در هنگام ترمز به شبکه بازگردانند). گرفتن؟ آنها هارمونیک های بیشتری تولید می کنند و نمی توانند چندین موتور را روی یک درایو به راحتی اداره کنند.

در اینجا یک مقایسه کنار هم وجود دارد تا به شما کمک کند تصمیم بگیرید:

برای 90 درصد کاربردهای صنعتی در براکت 500 کیلووات تا 5 مگاوات، درایو چند سطحی VSI بهترین گزینه است. فقط اگر بالاتر از 5 مگاوات هستید، از قبل یک موتور سنکرون دارید، یا به ترمز احیا کننده شدید (مانند بالابرهای معدن) نیاز دارید، از LCI استفاده کنید.

خنک کننده و محفظه ها - اجازه ندهید ذوب شود

یک درایو ولتاژ متوسط یک جعبه سیاه کوچک نیست - یک کابینت به اندازه اتاق است. و گرما را دفع می کند - اغلب 2-3٪ از کل توان. برای یک درایو 2 مگاواتی، این 40 تا 60 کیلووات گرما است - معادل دوجین بخاری فضایی که به طور کامل کار می کنند. نحوه خنک کردن آن تعیین کننده مدت عمر آن است.

• هوا خنک (IP21 / IP54) - رایج ترین. هوای اجباری هوای خنک را از اتاق بیرون می کشد و هوای گرم را از بالا خارج می کند. شما به یک اتاق الکتریکی با تهویه مناسب با HVAC کافی برای تحمل بار گرما نیاز دارید. IP21 برای محیط های داخلی تمیز است. IP54 محافظت در برابر گرد و غبار و پاشش آب را برای نقاط خشن تر اضافه می کند.
• با مایع خنک می شود - آب یا گلیکول از صفحات سردی که ماژول های برق را لمس می کنند عبور می کند. این بسیار کارآمدتر است - می توانید گرما را با یک چیلر خارجی کوچک استخراج کنید و کابینت درایو را کاملاً آب بندی کنید. برای مکان های گرد و خاکی، کثیف یا تنگ عالی است. نکته: شما به یک سیستم آب خنک کننده قابل اعتماد نیاز دارید و نشتی فاجعه بار است. درایوهای خنک‌کننده مایع معمولاً گران‌تر هستند اما چگالی توان بسیار بالاتری را می‌دهند.

اگر هوا خنک می‌کنید، هرگز اگزوز بالایی را مسدود نکنید - تعجب خواهید کرد که هر چند وقت یک‌بار کسی جعبه‌ها را بالای کابینت چید. اگر خنک کننده مایع هستید، روی یک مانیتور رسانایی و حسگرهای تشخیص نشت سرمایه گذاری کنید - آنها بیمه ارزانی هستند.

هارمونیک و شبکه - همسایگان خود را راضی نگه دارید

درایوهای AC ولتاژ متوسط بارهای غیرخطی هستند - آنها جریان را به صورت پالس می‌کشند، که هارمونیک‌هایی ایجاد می‌کند که با شکل موج ولتاژ به هم می‌خورد. هارمونیک‌های بسیار زیاد و سایر تجهیزات را از کار می‌اندازید، ترانسفورماتورها را بیش از حد گرم می‌کنید، یا یک تماس ناخوشایند از شرکت برق در مورد جریمه‌های ضریب توان دریافت می‌کنید. برای درایوهای بالاتر از 1 مگاوات، هارمونیک ها بسیار مهم هستند.

راه حل استاندارد یک رکتیفایر چند پالس جلویی است. یک یکسو کننده 12 پالس از یک ترانسفورماتور تغییر فاز برای خنثی کردن هارمونیک های 5 و 7 استفاده می کند و اعوجاج هارمونیک کل (THDi) را به حدود 10-15٪ کاهش می دهد. 18 پالس آن را به 5-8٪ کاهش می دهد و 24 پالس شما را به زیر 5٪ می رساند - که اکثر الزامات ابزار (IEEE 519) را بدون فیلترهای اضافی برآورده می کند. گرفتن؟ ترانسفورماتور با هر عدد پالس بزرگتر و گرانتر می شود. برای اکثر گیاهان، پالس 18 نقطه شیرین بین هزینه و انطباق است. اگر کاملاً به برق تمیز نیاز دارید (مانند یک بیمارستان یا مرکز داده)، به سراغ یک قسمت جلوی فعال (AFE) بروید – از IGBT برای شکل دادن به جریان ورودی استفاده می‌کند که THDi کمتر از 3 درصد و ضریب توان واحد را به شما می‌دهد، اما 15 تا 20 درصد به هزینه درایو اضافه می‌کند.

نصب و طول کابل - قانون 150 متر

در اینجا جزئیاتی وجود دارد که حتی مهندسان باتجربه را هم مورد توجه قرار می دهد: فاصله بین درایو ولتاژ متوسط شما و موتور فقط یک مشکل لجستیکی نیست، بلکه یک مسئله الکتریکی است. کابل های بلند دارای ظرفیت خازنی هستند. هنگامی که IGBT های درایو سریع سوئیچ می شوند (dV/dt بالا)، این ظرفیت، امواج منعکس شده ای ایجاد می کند که می تواند ولتاژ را در پایانه های موتور دو برابر کند. اگر موتور شما برای آن رتبه بندی نشده است، در عرض چند ماه عایق را سوراخ خواهید کرد.

برای کابل های بدون محافظ، می توانید به طور کلی تا 150 متر بدون فیلتر خروجی بروید. بین 150 تا 300 متر، شما نیاز به یک فیلتر dV/dt - زمان افزایش ولتاژ را کاهش می دهد و استرس موتور را کاهش می دهد. بالاتر از 300 متر، شما نیاز به یک کامل دارید فیلتر موج سینوسی - شکل موج PWM را به شکل سینوسی مناسب صاف می کند، از موتور محافظت می کند و اجازه می دهد کابل بسیار طولانی (تا 1 کیلومتر یا بیشتر) کار کند. همیشه جداول طول کابل سازنده درایو را بررسی کنید - آنها حداکثر فاصله را برای هر گزینه فیلتر مشخص می کنند. و هرگز و هرگز از کابل های استاندارد عایق پی وی سی برای درایوهای MV استفاده نکنید - برای درجه بندی ولتاژ بالاتر از XLPE (پلی اتیلن متقاطع) یا EPR (لاستیک پروپیلن اتیلن) ​​استفاده کنید.

تعمیر و نگهداری - ساده تر از آنچه فکر می کنید، اما از آن صرف نظر نکنید

درایوهای ولتاژ متوسط مانند یک VFD ارزان نیستند که بتوانید آن را تعویض کنید. آنها ساخته شده اند تا 20 سال دوام بیاورند - اما فقط در صورتی که اصول اولیه را انجام دهید. در اینجا یک برنامه تعمیر و نگهداری واقع بینانه وجود دارد که تیم شما را تحت تأثیر قرار نمی دهد:

• هر 6 ماه یکبار: کابینت ها را با هوای خشک کم فشار بیرون بیاورید - گرد و غبار عامل شماره یک خرابی های مربوط به گرما است. تمام فن های خنک کننده را از نظر سر و صدا یا لرزش بررسی کنید. تمام اتصالات برق را قطع کنید - چرخه حرارتی آنها را با گذشت زمان شل می کند و اتصال شینه شل می تواند به طرز شگفت انگیزی ذوب شود.
• سالانه: خازن های پیوند DC (برای درایوهای VSI) را بررسی کنید - در صورت داشتن تجهیزات، ظرفیت خازن و مقاومت سری معادل (ESR) آنها را اندازه گیری کنید. هر کدام را که دارای نشانه های برآمدگی یا نشتی است، تعویض کنید. باتری برد کنترل را بررسی کنید - بسیاری از درایوها از باتری لیتیومی برای حفظ حافظه پارامتر در هنگام خاموش شدن استفاده می کنند. باتری مرده به معنای درایو خالی در هنگام قطع برق است.
• هر 3 تا 5 سال: برای انجام تست عایق کامل (مگر) روی کابل های برق و موتور، یک سرویس دهنده واجد شرایط استخدام کنید. همچنین، شکاف مجدد یا تعویض قطعات اصلی کنتاکتور را در نظر بگیرید. دفترچه ای از تمام سفرها و کدهای خطا نگه دارید - الگوها به شما می گویند که آیا یک جزء قدیمی است یا خیر.

یک نکته حرفه ای: همیشه یک مجموعه یدکی از فن های خنک کننده و فیوزهای کنترل را در قفسه نگه دارید. اینها رایج ترین قطعاتی هستند که خراب می شوند و دو هفته انتظار برای یک فن جایگزین می تواند کل فرآیند شما را خاموش کند. با هزینه چند صد دلاری، بهترین بیمه ای است که می توانید بخرید.

چک لیست نهایی - قبل از زدن دکمه "خرید".

برای تکمیل آن، در اینجا یک لیست سریع بررسی سلامت عقل وجود دارد که باید قبل از خرید درایو AC با ولتاژ متوسط، با فروشنده یا تیم داخلی خود بررسی کنید:

• آیا با در نظر گرفتن اضافه بار، رتبه جریان خروجی درایو به راحتی از FLA موتور شما فراتر می رود؟
• آیا در محدوده ارتفاع و دما هستید یا فاکتورهای درجه بندی صحیح را اعمال کرده اید؟
• آیا توپولوژی مناسب را انتخاب کرده اید - VSI برای کنترل انعطاف پذیری و هارمونیک، یا LCI برای قدرت فوق العاده بالا و regen؟
• طول کل کابل چقدر است - آیا به فیلتر dV/dt نیاز دارید یا فیلتر موج سینوسی؟
• آیا روش خنک کننده (هوا یا مایع) با زیرساخت های موجود کارخانه شما سازگار است؟
• آیا قسمت جلویی یکسو کننده (12، 18، 24 پالس یا AFE) الزامات هارمونیک ابزار شما را برآورده می کند؟
• آیا برای فن های یدکی، فیوزها و چند سال قرارداد خدمات بودجه در نظر گرفته اید؟

درایوهای جریان متناوب ولتاژ متوسط ​​سرمایه گذاری بزرگی هستند، اما اگر به درستی مشخص شوند، یکی از قابل اعتمادترین تجهیزات در یک کارخانه نیز هستند. وقت خود را صرف کنید، سوالات سخت را بپرسید و به یاد داشته باشید - ارزان ترین درایو در لیست پیشنهادی به ندرت ارزان ترین درایو در طول عمر خود است. مشخصات را به درستی دریافت کنید، و اسب کاری خواهید داشت که موتورهای بزرگ شما را برای دهه‌های آینده به آرامی می‌چرخاند.