درایو فرکانس متغیر ولتاژ متوسط توضیح داد: چگونه کار می کند، کدام توپولوژی را انتخاب کنید، و چه چیزی را مشخص کنید

درایو فرکانس متغیر ولتاژ متوسط چیست و چرا وجود دارد

یک درایو فرکانس متغیر ولتاژ متوسط (MV VFD) - که به عنوان درایو فرکانس قابل تنظیم ولتاژ متوسط (AFD)، درایو سرعت قابل تنظیم ولتاژ متوسط (ASD) یا به سادگی یک درایو ولتاژ متوسط نیز شناخته می شود - یک سیستم الکترونیک قدرت است که سرعت و گشتاور یک موتور AC ولتاژ متوسط را با تغییر ولتاژ تغذیه ولتاژ الکتریکی به آن کنترل می کند. در جایی که VFD های ولتاژ پایین با ولتاژهای سیستم تا 690 ولت کار می کنند، درایوهای ولتاژ متوسط محدوده ای از تقریباً پوشش می دهند. 2.3 کیلوولت تا 13.8 کیلو ولت با توجه به بارهای بزرگ موتور که برای تغذیه از طریق سیستم های ولتاژ پایین غیرعملی است، به دلیل سطوح بالای جریان بسیار بالا که در نتیجه ایجاد می شود.

واقعیت فیزیکی که نیاز به تجهیزات ولتاژ متوسط ​​را تحریک می کند، ساده است: توان برابر است با ولتاژ ضرب در جریان. یک بار موتور 2 مگاواتی که با ولتاژ 480 ولت تغذیه می شود، بیش از 2400 آمپر را می کشد - اندازه کابل، درجه بندی تابلو برق و الزامات دستگاه محافظ در این مقیاس غیرقابل کنترل می شوند. همان بار 2 مگاواتی که با ولتاژ 4160 ولت تغذیه می شود، تقریباً 280 آمپر را می کشد - سطحی که به راحتی توسط تابلو و کابل های ولتاژ متوسط ​​استاندارد کنترل می شود. برای موتورهای صنعتی بالاتر از 1 تا 2 مگاوات، تامین ولتاژ متوسط ​​یک اولویت نیست، بلکه یک ضرورت مهندسی عملی است، و MV VFD ها فناوری کنترلی هستند که کارکرد با سرعت متغیر این ماشین های بزرگ را قابل دستیابی می کند.

تاسیسات جهانی درایوهای ولتاژ متوسط ​​در صنایع انرژی بر متمرکز هستند: فشرده سازی و پمپاژ نفت و گاز، نوار نقاله و بالابر معدن معدن، ایستگاه های پمپاژ آب و فاضلاب، پردازش سیمان و سنگدانه، کارخانه های خمیر و کاغذ، کارخانه های نورد فولاد و سیستم های بزرگ HVAC. مورد اقتصادی VFD های MV اساساً بر قوانین وابستگی حاکم بر بارهای گریز از مرکز - پمپ ها و فن ها - استوار است که بیان می کند قدرت شفت با مکعب سرعت چرخش متفاوت است. کاهش سرعت پمپ تنها به میزان 20 درصد، مصرف برق آن را تقریباً کاهش می دهد 49% ، صرفه جویی در انرژی را ایجاد می کند که معمولاً بازپرداخت کامل سرمایه گذاری درایو را در مدت 12 تا 36 ماه در برنامه های کاربردی با زمان بالا ارائه می دهد.

چگونه یک VFD ولتاژ متوسط کار می کند: مسیر اصلی برق

همه درایوهای ولتاژ متوسط، صرف نظر از توپولوژی، توالی اصلی تبدیل توان یکسانی دارند. درک این دنباله پایه ای برای ارزیابی این است که چرا توپولوژی های مختلف، مبادلات مهندسی را انجام می دهند.

منبع تغذیه - معمولاً AC سه فاز ولتاژ متوسط ​​از گذرگاه توزیع تاسیسات - وارد درایو می شود و ابتدا توسط یک مرحله یکسو کننده به DC تبدیل می شود. این حالت میانی DC مبدل سمت شبکه را از مبدل سمت موتور جدا می‌کند و اجازه می‌دهد فرکانس و ولتاژ خروجی مستقل از فرکانس تغذیه ورودی تغییر کند. سپس یک مرحله اینورتر DC را به AC سه فاز در فرکانس و ولتاژ مورد نیاز موتور در هر نقطه کاری معین تبدیل می کند. سوئیچ‌های اینورتر - در اکثر توپولوژی‌های درایو MV، ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق (IGBT) - هزاران بار در ثانیه روشن و خاموش می‌شوند که توسط الگوریتم‌های مدولاسیون عرض پالس (PWM) کنترل می‌شوند که شکل موج خروجی را برای تقریبی ولتاژ سینوسی در فرکانس هدف شکل می‌دهند.

در ولتاژ متوسط، چالش این است که کلیدهای نیمه هادی قدرت نمی توانند ولتاژ کامل سیستم را در پایانه های خود بدون خرابی تحمل کنند. یک IGBT با ولتاژ 1700 ولت نمی تواند مستقیماً یک باس 4160 ولت را تغییر دهد. توپولوژی‌های درایو MV این محدودیت را به روش‌های مختلف برطرف می‌کنند - با قرار دادن دستگاه‌ها به صورت سری، با استفاده از تنظیمات مدار چند سطحی، یا آبشاری سلول‌های مبدل ولتاژ پایین‌تر - و این رویکردهای مختلف خانواده‌های توپولوژی متمایز را تولید می‌کنند که در زیر توضیح داده شده است.

توپولوژی های MV VFD: پنج طرح اصلی و معاوضه های آنها

هیچ توپولوژی غالب واحدی در بازار درایوهای ولتاژ متوسط وجود ندارد. هر یک از طرح های اصلی نشان دهنده سازش مهندسی متفاوتی بین کیفیت شکل موج خروجی، عملکرد هارمونیک، رتبه بندی قطعات، سازگاری موتور و هزینه سیستم است. انتخاب توپولوژی مناسب برای یک برنامه کاربردی یکی از مهمترین تصمیمات مهندسی در پروژه درایو MV است.

گیره نقطه خنثی سه سطحی (3-L NPC)

توپولوژی سه سطحی NPC از اواخر دهه 1980 به صورت تجاری در دسترس بوده و همچنان یکی از گسترده ترین ها در بازار است. برای تولید سه سطح ولتاژ مجزا در خروجی، به جای سوئیچینگ ساده دو سطحی (روشن/خاموش) یک اینورتر اصلی، از یک پیوند DC با تقسیم خازن با دیودهای گیره استفاده می کند. خروجی سه سطحی کیفیت شکل موج خروجی قابل توجهی بهتری نسبت به طراحی دو سطحی ایجاد می‌کند و استرس dv/dt روی سیم‌پیچ‌های موتور را کاهش می‌دهد و اعوجاج هارمونیک را کاهش می‌دهد. توپولوژی NPC از ABB (ACS1000، ACS6080) و چندین تولید کننده بزرگ دیگر، معمولاً در ولتاژهای 2.3 کیلو ولت تا 6.9 کیلو ولت در دسترس است. محدودیت اصلی آن این است که دیودهای گیره بار نامتقارن بر روی خازن های پیوند DC در شرایط عملکرد نامتعادل ایجاد می کنند که نیاز به مدیریت طراحی دقیق دارد.

پل H آبشاری (CHB) - فناوری سلول چند سطحی

توپولوژی پل H آبشاری - که فناوری سلول چند سطحی یا فناوری سلول سری نیز نامیده می شود - شکل موج خروجی را با آبشاری چندین سلول اینورتر پل H با ولتاژ پایین به صورت سری در هر فاز خروجی ایجاد می کند. هر سلول در سطوح ولتاژ پایین معمولی کار می‌کند (با استفاده از IGBT‌های دارای رتبه اثبات شده 1700 ولت مشابه با موارد مورد استفاده در صنعت درایو LV با حجم بالا)، و خروجی ترکیبی سلول‌های متصل به سری، خروجی ولتاژ متوسط ​​مورد نیاز را تولید می‌کند. با تعداد کافی سلول در سری، شکل موج خروجی به یک موج سینوسی تقریباً کامل، با اعوجاج هارمونیک بسیار کم و تنش dv/dt بسیار کم بر عایق موتور نزدیک می شود. توپولوژی CHB توسط Benshaw (سری MVH2)، زیمنس (SINAMICS GM150) و دیگران استفاده می شود. مزایای کلیدی آن عملکرد هارمونیک ذاتی، سازگاری با موتورهای غیر اینورتر استاندارد و قابلیت جایگزینی سلول های مدولار است - یک سلول خراب را می توان به صورت جداگانه بدون تعویض کل مجموعه اینورتر تعویض کرد و زمان خرابی را به حداقل رساند. همچنین به یک ترانسفورماتور ورودی چند سیم پیچی نیاز دارد تا منابع تغذیه ایزوله را برای هر بانک سلولی فراهم کند.

مبدل چند سطحی مدولار (MMC)

مبدل چند سطحی مدولار توپولوژی جدیدتری است که مفهوم چند سطحی را بیشتر گسترش می‌دهد، با استفاده از تعداد زیادی از ماژول‌های نیمه پل یا تمام پل یکسان که به صورت سری به هم متصل شده‌اند تا هر بازوی مبدل را تشکیل دهند. درایوهای MMC شکل موج های خروجی بسیار باکیفیت با محتوای هارمونیک بسیار پایین تولید می کنند و تا سطوح توان بسیار بالا مقیاس پذیر هستند. توپولوژی در کاربردهای بالای 10 مگاوات در حال افزایش است و در ACS6080 ABB و پلتفرم‌های پرقدرت مشابه استفاده می‌شود. پیچیدگی آن و تعداد زیاد زیر ماژول‌های مبتنی بر خازن به الگوریتم‌های کنترلی پیچیده و سیستم‌های نظارتی گسترده‌تر از توپولوژی‌های ساده‌تر نیاز دارد، که از لحاظ تاریخی استفاده از آن را به بزرگترین و با ارزش‌ترین کاربردها محدود کرده است.

اینورتر منبع جریان PWM (CSI)

درایوهای اینورتر منبع جریان از یک سلف DC بزرگ به جای یک بانک خازن به عنوان عنصر ذخیره انرژی پیوند DC استفاده می کنند که به اینورتر شخصیت یک منبع جریان را به جای منبع ولتاژ می دهد. درایوهای CSI یک شکل موج خروجی کنترل‌شده با جریان تولید می‌کنند و به ویژه برای درایوهای موتور سنکرون و برنامه‌هایی که نیاز به ترمز احیاکننده دارند، مناسب هستند، زیرا پیوند DC مبتنی بر سلف، جریان انرژی دو طرفه را به‌طور طبیعی‌تر از VSI مبتنی بر خازن کنترل می‌کند. کیفیت شکل موج خروجی از PWM CSI خوب است، اما معمولاً به یک فیلتر خازن در پایانه های موتور برای کاهش محتوای فرکانس بالا نیاز دارد. PowerFlex 7000 Rockwell Automation یکی از شناخته‌شده‌ترین درایوهای MV مبتنی بر CSI است.

اینورتر تغییر بار (LCI)

اینورتر تغییر بار یک فناوری پیشرفته است که برای درایوهای موتور سنکرون بسیار پرقدرت و بزرگ - کمپرسورها، پمپ‌ها و فن‌هایی با توان بالای 10 تا 20 مگاوات استفاده می‌شود. درایوهای LCI از تریستورها (SCR) به جای IGBT به عنوان دستگاه سوئیچینگ استفاده می کنند. تریستورها توسط EMF پشتی موتور سنکرون به جای مدار خاموش کردن دروازه خاموش می شوند، به همین دلیل است که بار (موتور) باید یک ماشین سنکرون باشد که بالاتر از حداقل سرعت کار می کند تا ولتاژ کموتاسیون را فراهم کند. درایوهای LCI بسیار قوی هستند و قابلیت توان بسیار بالایی دارند، اما محتوای هارمونیک نسبتا بالایی تولید می کنند و محدود به بارهای موتور سنکرون در سطوح توان بالا هستند. این فناوری‌ها برای قطارهای بزرگ کمپرسور LNG، ایستگاه‌های پمپاژ خط لوله و فن‌های صنعتی بزرگ هستند.

صرفه جویی در انرژی: مورد اصلی کسب و کار برای MV VFD

محرک اقتصادی اولیه برای اکثر تاسیسات MV VFD کاهش هزینه انرژی در پمپ گریز از مرکز و بار فن است. قوانین وابستگی - روابط دینامیک سیالات اساسی حاکم بر ماشین های گریز از مرکز - بیان می کند که جریان به صورت خطی با سرعت شفت تغییر می کند، فشار با مجذور سرعت تغییر می کند و توان با مکعب سرعت تغییر می کند. این رابطه مکعبی باعث می شود که کنترل سرعت به عنوان یک استراتژی مدیریت انرژی به طور نامتناسبی قدرتمند باشد.

در فرآیندی که یک پمپ را با ۸۰ درصد سرعت کامل برای بخش قابل توجهی از زمان کارکرد آن کار می‌کند، درایو تقریباً ۵۱ درصد از توانی را که با سرعت کامل کشیده می‌شود مصرف می‌کند - که تقریباً نیمی از کاهش سرعت ۲۰ درصدی کاهش می‌یابد. برای یک موتور پمپ 2 مگاواتی که با سرعت کمتر به مدت 6000 ساعت در سال با نرخ برق صنعتی کار می کند، صرفه جویی در انرژی سالانه می تواند بیش از صدها هزار دلار باشد. در مقابل کل هزینه نصب شده MV VFD که معمولاً از 150 تا 500 دلار در هر کیلو وات از نظر رتبه بندی موتور بسته به کلاس ولتاژ و توپولوژی، دوره های بازپرداخت یک تا سه ساله برای کاربردهای گریز از مرکز در زمان کار بالا قابل دستیابی است.

فراتر از صرفه جویی در بار گریز از مرکز، MV VFD ها انرژی و مزایای عملیاتی بیشتری را ارائه می دهند. راه اندازی نرم - شتاب دادن تدریجی موتور از سرعت صفر به جای اعمال ولتاژ کامل در سراسر خط - جریان هجومی زیاد (معمولاً 6 تا 8 برابر جریان بار کامل) را که در طول راه اندازی از سراسر خط رخ می دهد، حذف می کند. این کار شوک مکانیکی روی درایو را از بین می‌برد، تنش حرارتی روی سیم‌پیچ‌های موتور را کاهش می‌دهد و از کاهش ولتاژ در شین توزیع که همراه با استارت‌های بزرگ موتور است، جلوگیری می‌کند. کنترل دقیق سرعت همچنین بهینه‌سازی فرآیند را امکان‌پذیر می‌کند که می‌تواند ضایعات مواد را کاهش دهد، کیفیت محصول را بهبود بخشد و سایش تجهیزات مکانیکی پایین‌دستی را کاهش دهد - مزایایی که فراتر از کاهش هزینه برق به تنهایی به موارد مالی می‌افزاید.

هارمونیک: آنچه که MV VFD ها تولید می کنند و نحوه مدیریت آنها

درایوهای فرکانس متغیر، از جمله انواع ولتاژ متوسط، بارهای غیر خطی هستند - آنها جریان را از منبع تغذیه به جای یکنواخت، به صورت پالس می گیرند و جریان های هارمونیک تولید می کنند که به سیستم قدرت می ریزد. این جریان‌های هارمونیک باعث ایجاد اعوجاج ولتاژ در شین توزیع می‌شود که می‌تواند با ابزار دقیق تداخل داشته باشد، ترانسفورماتورها و کابل‌های طراحی‌شده برای عملکرد فرکانس اصلی را بیش از حد گرم می‌کند و باعث ایجاد مزاحمت در دستگاه‌های محافظ می‌شود. مدیریت اعوجاج هارمونیک یک عنصر ضروری برای نصب MV VFD است، نه یک اصلاح اختیاری.

چگونه توپولوژی های مختلف بر عملکرد هارمونیک تأثیر می گذارد

مهمترین عامل تمایز در عملکرد هارمونیک، طراحی یکسو کننده توپولوژی درایو و شماره پالس است. یکسو کننده استاندارد شش پالس - ساده ترین و رایج ترین طراحی - جریان های هارمونیک 5، 7، 11 و 13 را به عنوان اجزای غالب خود تولید می کند. پیکربندی‌های یکسوکننده دوازده پالسی و هجده پالسی جفت‌های هارمونیک مرتبه پایین‌تر را لغو می‌کنند و اعوجاج هارمونیک کل (THD) را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند. توپولوژی پل H آبشاری، به واسطه ترانسفورماتور ورودی چند سیم پیچی خود که منبع انتقال فاز را برای هر بانک سلولی فراهم می کند، به طور ذاتی به اعداد پالس موثر 18 تا 36 یا بالاتر بسته به تعداد سلول ها دست می یابد و اعوجاج هارمونیک ورودی بسیار کم را بدون سخت افزار فیلتر اضافی ایجاد می کند. استاندارد IEEE 519 که مشخصات هارمونیک معیار برای سیستم‌های قدرت صنعتی در آمریکای شمالی است، محدودیت‌هایی را هم برای THD فعلی در نقطه اتصال مشترک و هم در اعوجاج ولتاژ هارمونیک فردی تعیین می‌کند – اکثر مشخصات خرید MV VFD نیازمند انطباق با IEEE 519 به عنوان حداقل شرایط تامین هستند.

استراتژی های کاهش هماهنگ

هنگامی که عملکرد هارمونیک ذاتی توپولوژی درایو انتخابی الزامات کیفیت توان پروژه را برآورده نمی کند، سخت افزار کاهش اضافی در دسترس است. فیلترهای هارمونیک غیرفعال - مدارهای LC تنظیم شده نصب شده روی گذرگاه ورودی درایو - قبل از ورود به سیستم توزیع، فرکانس های هارمونیک خاصی را جذب می کنند. مراحل یکسو کننده جلویی فعال (AFE) از سوئیچینگ کنترل شده با PWM در سمت ورودی درایو برای کشیدن جریان ورودی تقریباً سینوسی استفاده می کند و THD بسیار پایین را بدون خطرات رزونانس مرتبط با فیلترهای غیرفعال به دست می آورد. راکتورهای خط ورودی تضعیف هارمونیک جزئی را با هزینه کمتری نسبت به فیلترهای هارمونیک کامل ارائه می دهند، اما برای اکثر تاسیسات به تنهایی به انطباق IEEE 519 دست نمی یابند. استراتژی کاهش هارمونیک باید در طول فاز مهندسی پروژه تعیین شود - نه به عنوان یک فکر بعدی - زیرا بر رتبه ترانسفورماتور، طراحی پانل ورودی درایو و هزینه کلی سیستم تأثیر می گذارد.

ملاحظات سازگاری موتور و کابل

همه موتورها و پیکربندی های کابل به یک اندازه با عملکرد MV VFD سازگار نیستند. شکل موج ولتاژ خروجی از یک درایو - حتی یک طراحی چند سطحی با کیفیت بالا - یک موج سینوسی خالص نیست و اجزای سوئیچینگ فرکانس بالا در خروجی می‌توانند مشکلاتی را ایجاد کنند که در عملکرد موتور در سراسر خط رخ نمی‌دهد.

تنش عایق موتور و امواج منعکس شده

طراحی‌های اولیه درایو MV - به‌ویژه توپولوژی‌های سوئیچینگ دو سطحی ساده - پالس‌های ولتاژ شیب دار را در پایانه‌های موتور تولید می‌کردند که باعث تخریب سریع عایق و خرابی‌های زودرس موتور می‌شد. این امر منجر به نیاز به موتورهای "وظیفه اینورتر" با سیستم های عایق تقویت شده در کاربردهای VFD ولتاژ پایین شد. یکی از مزیت‌های کلیدی توپولوژی‌های درایو چندسطحی MV - به‌ویژه طراحی‌های CHB و NPC - این است که کیفیت شکل موج خروجی بالاتر آن‌ها به طور چشمگیری dv/dt (نرخ افزایش ولتاژ) و تنش ولتاژ اوج در پایانه‌های موتور را کاهش می‌دهد و آنها را با موتورهای ولتاژ متوسط ​​استانداردی که برای کارکرد به‌طور خاص تنظیم نشده‌اند سازگار می‌کند. با این حال، طول کابل بین درایو و موتور یک متغیر مهم باقی می‌ماند: کابل‌های موتور بلند به‌عنوان خطوط انتقال عمل می‌کنند و می‌توانند بازتاب‌های ولتاژی ایجاد کنند که تقریباً حداکثر ولتاژ را در پایانه‌های موتور دو برابر می‌کند. برای نصب با کابل طولانی، یک فیلتر dv/dt یا فیلتر سینوسی در خروجی درایو یک اقدام حفاظتی استاندارد است.

جریان های بلبرینگ موتور

سوئیچینگ PWM در VFD ها ولتاژهایی با حالت معمولی ایجاد می کند - ولتاژهایی که به طور همزمان در هر سه فاز خروجی نسبت به زمین ظاهر می شوند - که می تواند باعث عبور جریان از طریق یاتاقان های شفت موتور به زمین شود. این جریان‌های یاتاقان از طریق ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی (EDM) سطح راهرو بلبرینگ را فرسایش می‌دهد و حفره‌هایی ایجاد می‌کند که نویز و در نهایت خرابی یاتاقان ایجاد می‌کند. حلقه‌های اتصال به زمین، یاتاقان‌های عایق‌شده، و فیلترهای معمولی، اقدامات استاندارد کاهش هستند. برای موتورهای ولتاژ متوسط ​​بزرگ، خطر به خوبی درک شده است و اقدامات حفاظتی به طور معمول در مشخصات درایو یا موتور گنجانده می شود - اما باید به طور صریح به آنها توجه شود نه اینکه غیرضروری فرض شوند.

کاربردهای صنعتی که در آن VFD های MV بیشترین ارزش را دارند

درایوهای فرکانس متغیر ولتاژ متوسط در طیف وسیعی از صنایع مستقر می‌شوند، اما دسته‌بندی‌های کاربردی خاص بالاترین بازده سرمایه‌گذاری را ارائه می‌کنند، زیرا رتبه‌بندی موتورهای بزرگ، زمان اجرا سالانه بالا و تنوع فرآیند قابل توجهی را با هم ترکیب می‌کنند که کنترل سرعت را ارزشمند می‌کند.

• نفت و گاز: پمپ های خط لوله، قطارهای کمپرسور برای انتقال گاز و مایع سازی LNG، پمپ های بالابر سکوی آب دریا و پمپ های آب تزریقی، همگی نشان دهنده بارهای بزرگ موتور با ولتاژ متوسط هستند که هم صرفه جویی در انرژی و هم قابلیت شروع نرم، نصب MV VFD را توجیه می کند. در محیط‌های فراساحلی، ردپای فشرده و محافظت از فلاش قوس الکتریکی درایوهای MV محصور شده مدرن، محدودیت‌های فضا و ایمنی تاسیسات پلت فرم را برطرف می‌کنند.
• آب و فاضلاب: ایستگاه‌های پمپاژ شهری بزرگ - پمپ‌های ورودی، پمپ‌های تقویت کننده شبکه انتقال و ایستگاه‌های بالابر فاضلاب - از رایج‌ترین کاربردهای MV VFD در سطح جهان هستند، زیرا ترکیبی از رتبه‌بندی‌های موتور بزرگ، سیکل‌های کار مداوم و پروفایل‌های تقاضای متغیر بازپرداخت سریع انرژی را ایجاد می‌کند. درایوهای MV در کاربردهای فاضلاب به طور فزاینده ای با محفظه های IP54 یا بالاتر و با آب بندی محیطی در برابر سولفید هیدروژن و رطوبت مشخص می شوند.
• معدن: درایوهای تسمه نقاله، درایوهای بالابر و بادگیر، فن های تهویه بزرگ، و درایوهای آسیاب (SAG آسیاب، آسیاب گلوله ای) کاربردهای اصلی MV VFD در معدن را نشان می دهند. توانایی کنترل شتاب نوار نقاله دقیقاً تنش مکانیکی روی تسمه را کاهش می‌دهد و فواصل نگهداری در اتصالات تسمه و قرقره‌های دم را کاهش می‌دهد - یک مزیت عملیاتی که به هزینه انرژی در عملیات‌های با تناژ بالا می‌افزاید.
• سیمان و سنگدانه: درایوهای کوره، درایوهای آسیاب خام و سیستم های فن بزرگ در کارخانه های سیمان به طور مداوم کار می کنند و بارهای الکتریکی قابل توجهی را نشان می دهند. گشتاور متغیر مورد نیاز این فرآیندها - به ویژه راه اندازی کوره، که به گشتاور بالا در سرعت بسیار پایین نیاز دارد - باعث می شود کنترل VFD نسبت به جایگزین های خطی یا نرم استارت هم برای عملکرد و هم از تجهیزات محافظت کند.
• تولید برق: پمپ های تغذیه دیگ بخار، فن های کشش اجباری، فن های کشش القایی، و پمپ های آب در گردش در نیروگاه های حرارتی، کاربردهای کلاسیک با کارکرد بالا و بار متغیر هستند که در آن بهسازی های MV VFD باعث صرفه جویی در مصرف انرژی بین 20 تا 40 درصد در سیستم های قبلاً با دریچه گاز یا کنترل شده با دمپر شده است.
• دریایی و فراساحلی: سیستم‌های رانش الکتریکی برای شناورها - پیشرانه‌ها، محرک‌های غلاف و محرکه‌های اصلی پیشران - از درایوهای ولتاژ متوسط برای کنترل موتورهای محرکه بزرگ استفاده می‌کنند. کشتی‌های کروز، حامل‌های LNG، کشتی‌های پشتیبانی فراساحلی، و کاربردهای دریایی بازار رو به رشدی برای MV VFD‌های طراحی‌شده برای برآورده کردن الزامات جامعه طبقه‌بندی دریایی (DNV، Lloyd's Register، ABS) هستند.

نصب و راه اندازی: آنچه که یک پروژه موفق MV VFD نیاز دارد

یک درایو فرکانس متغیر ولتاژ متوسط یک دستگاه Plug-and-Play نیست. کار یکپارچه سازی مکانیکی، الکتریکی و سیستمی مورد نیاز برای نصب و راه اندازی یک درایو MV، بخش قابل توجهی از کل هزینه پروژه را نشان می دهد و جایی است که اکثر مشکلات پروژه در زمانی که به درستی برنامه ریزی نشده باشد، سرچشمه می گیرند. درک نیازهای یک نصب صحیح از اشتباهات رایجی که باعث تاخیر در راه اندازی، کمبود عملکرد و مشکلات اولیه تجهیزات می شود جلوگیری می کند.

الزامات عمرانی و مکانیکی

محفظه های MV VFD بزرگ و سنگین هستند - یک درایو معمولی CHB 2 مگاواتی با ترانسفورماتور ورودی آن ممکن است 5000 تا 15000 کیلوگرم یا بیشتر وزن داشته باشد و به یک اتاق الکتریکی اختصاصی با کفپوش تقویت شده، دما و رطوبت کنترل شده و تهویه یا تهویه مطبوع اجباری برای حفظ محیط کاری مشخص شده درایو نیاز دارد. اکثر سازندگان حداکثر دمای محیط را 40 درجه سانتیگراد و حداکثر رطوبت نسبی 95٪ بدون متراکم را تعیین می کنند. ترانسفورماتور ورودی، اگر جدا از محفظه درایو باشد، به تخصیص فضای خاص خود و جداسازی آتش بر اساس کدهای الکتریکی محلی نیاز دارد. اندازه درهای دسترسی باید برای بزرگترین مجموعه قابل تعویض - معمولاً یک سلول قدرت کامل یا سیم پیچ ترانسفورماتور - باشد تا امکان تعمیر و نگهداری بدون جداسازی عمده تجهیزات مجاور را فراهم کند.

طراحی و مسیریابی کابل

کابل ولتاژ متوسط بین ترانسفورماتور منبع و ورودی درایو، و بین خروجی درایو و موتور، باید برای کلاس ولتاژ سیستم، درجه جریان پیوسته، شرایط نصب (کانادئیت، سینی، دفن مستقیم) و طول کار مشخص شود. همانطور که در بالا ذکر شد، کارکرد طولانی کابل موتور می تواند باعث تقویت ولتاژ موج بازتابی در پایانه های موتور شود - اکثر سازندگان حداکثر طول کابل را برای عملکرد بدون فیلتر خروجی مشخص می کنند و این محدودیت ها باید قبل از نهایی کردن انتخاب درایو در برابر جریان کابل واقعی در طرح پروژه تأیید شوند. همه کابل‌کشی‌های MV به محافظ کابل، خاتمه مناسب و روش‌های اتصال به زمین مطابق با کد الکتریکی قابل اجرا و الزامات نصب سازنده نیاز دارند.

یکپارچه سازی سیستم کنترل

درایوهای MV همواره از طریق ارتباطات دیجیتال در سیستم‌های کنترل کارخانه ادغام می‌شوند - Modbus RTU، Profibus، Profinet، EtherNet/IP، DeviceNet و سایر پروتکل‌های صنعتی توسط پلتفرم‌های درایو مدرن پشتیبانی می‌شوند. یکپارچه‌سازی سیستم کنترل باید قبل از راه‌اندازی درایو طراحی شود، از جمله تعریف همه منابع مرجع سرعت، همه سیگنال‌های فعال کردن درایو و خطا، همه متغیرهای بازخورد فرآیند (سرعت، جریان، قدرت، کدهای خطا) که توسط سیستم DCS یا SCADA کارخانه نظارت می‌شوند، و همه اینترلاک‌های محافظی که باید درایو را از سیستم ایمنی فرآیند جدا کنند. راه اندازی بدون یک رابط سیستم کنترل کاملاً آزمایش شده و مستند یکی از رایج ترین دلایل تاخیر در راه اندازی درایو در پروژه های بزرگ است.

رویه راه اندازی

راه اندازی درایو MV باید توسط مهندسان واجد شرایط با آموزش های خاص بر روی پلت فرم محرک و با تجهیزات حفاظت فردی مناسب و روش های کار ایمن برای کارهای الکتریکی با ولتاژ متوسط انجام شود. توالی راه اندازی شامل تست مقاومت عایق قبل از انرژی تمام کابل ها و موتور، تأیید تداوم و قطبیت سیم کشی کنترل، تأیید چرخش صحیح فاز در ورودی و خروجی درایو، برنامه ریزی پارامتر برای مطابقت با داده های پلاک موتور و سرعت، گشتاور و الزامات حفاظتی برنامه، بررسی سرعت اتصال بدون بار با آزمایش چرخش سرعت بدون بار و آزمایش چرخش سرعت بدون بار در محدوده آزمایشی سرعت کامل و تست سرعت کم از طریق تست چرخش کامل فاز در ورودی و خروجی درایو است. تنظیم، محدودیت های جریان، و عملکرد عملکرد حفاظتی. تست پذیرش کارخانه (FAT) درایو در کارخانه سازنده قبل از حمل و نقل، یک روش استاندارد برای پروژه‌های بزرگ درایو MV است و فرصتی را برای تأیید مجموعه کامل پارامترها و رابط سیستم کنترل قبل از رسیدن تجهیزات به سایت فراهم می‌کند.

مشخصات کلیدی برای تایید قبل از خرید VFD ولتاژ متوسط

درایوهای ولتاژ متوسط نشان دهنده سرمایه گذاری های سرمایه ای از چند صد هزار تا چند میلیون دلار بسته به رتبه قدرت، توپولوژی و لوازم جانبی هستند. دریافت درست مشخصات قبل از خرید، از سرمایه گذاری محافظت می کند و اطمینان حاصل می کند که درایو در طول عمر عملیاتی خود مطابق نیاز عمل می کند. قبل از صدور سفارش خرید، مشخصات زیر باید به صورت کتبی تایید شود.

• رتبه بندی ولتاژ ورودی و تحمل: تأیید کنید که ولتاژ ورودی نامی درایو با ولتاژ منبع تغذیه تأسیسات مطابقت دارد (2.3 kV، 3.3 kV، 4.16 kV، 6.0 kV، 6.6 kV، 11 kV یا 13.8 kV سطوح استاندارد هستند) و تأیید کنید که ± ولتاژ ورودی قابل تحمل است — معمولاً حداقل 0% تحمل ولتاژ ورودی را ندارد. تغییر ولتاژ در گذرگاه توزیع تاسیسات.
• قدرت موتور و درجه جریان: درایو باید برای جریان تمام بار موتور در ولتاژ ترمینال موتور درجه بندی شود. هم رتبه جریان پیوسته و هم امتیاز اضافه بار - معمولاً 110٪ یا 150٪ برای یک دوره کوتاه مدت مشخص - را در برابر مشخصات بار شناخته شده موتور شامل راه اندازی، اوج بار، و شرایط احیاکننده تأیید کنید.
• اعوجاج هارمونیک خروجی و انطباق با IEEE 519: حداکثر جریان مجاز THD را در نقطه اتصال مشترک با سیستم توزیع تأسیسات مشخص کنید و تأیید کنید که سیستم محرک - از جمله هر تجهیزات کاهش هارمونیک - تحت شرایط عملیاتی مورد انتظار به این حد می رسد. نمونه داده‌های شکل موج جریان ورودی را از تاسیسات قبلی با پیکربندی‌های مشابه درخواست کنید.
• سازگاری طول کابل موتور: طول کابل موتور واقعی را در پروژه ارائه کنید و حداکثر طول کابل سازنده را بدون فیلتر خروجی در ولتاژ کاری پیشنهادی و نوع کابل تأیید کنید. اگر دور از حد مجاز فراتر رفت، نوع فیلتر خروجی مورد نیاز را مشخص کنید و ولتاژ سیستم درایو ترکیبی و فیلتر را در پایانه های موتور تأیید کنید.
• رتبه بندی محوطه و مشخصات محیطی: رتبه بندی IP یا NEMA محفظه را در برابر محیط نصب تأیید کنید. محیط‌های اتاق تمیز داخلی ممکن است NEMA 1 (IP20) را بپذیرند. محیط های صنعتی با گرد و غبار، رطوبت یا جو خورنده به NEMA 12 (IP54) یا بالاتر نیاز دارند. فاضلاب، معدن، و محیط های دریایی معمولاً به حفاظت از محیط زیست اضافی فراتر از رتبه بندی استاندارد NEMA نیاز دارند.
• مقررات دور زدن و افزونگی: برای فرآیندهای حیاتی که زمان خاموشی موتور غیرقابل قبول است، ترتیب بای پس را مشخص کنید - اینکه آیا یک کنتاکتور بای پس کامل در سراسر خط مورد نیاز است، آیا قابلیت انتقال همزمان (انتقال بین خروجی VFD و توان خط بدون توقف موتور) مورد نیاز است یا خیر، و اینکه آیا بای پس سلول قدرت (مخصوص توپولوژی CHB) عملکرد مناسبی را برای شکست سلول‌های قرمز کاهش می‌دهد یا خیر.
• حفاظت از فلاش قوس: درایوهای MV حاوی انرژی ذخیره‌شده در خازن‌های پیوند DC هستند و از گذرگاه ولتاژ متوسط تغذیه می‌شوند - انرژی برخورد فلاش قوس در صورت بروز خطای داخلی به طور بالقوه بسیار زیاد است. ساختار محفظه مقاوم در برابر قوس (تست شده با IEEE C37.20.7 یا معادل آن) را برای تاسیساتی که دسترسی پرسنل در طول عملیات عادی خطر مواجهه ایجاد می کند، مشخص کنید. برخی از تولیدکنندگان طرح‌های درایو MV مقاوم در برابر قوس را ارائه می‌کنند - مانند Eaton's SC9000 EP - که به طور خاص محیط‌های فاضلاب، معدن، و نفت و گاز را هدف قرار می‌دهد.
• انطباق با گواهینامه ها و استانداردها: مطابقت با استانداردهای قابل اجرا برای محل نصب و صنعت را تأیید کنید: IEEE 519 برای هارمونیک‌ها، UL 508A یا معادل آن برای ساخت تابلو، سری IEC 61800 برای سیستم‌های درایو سرعت قابل تنظیم، و هر استاندارد خاص صنعت (API 541/547 برای موتورهای نفت و گاز، الزامات طبقه‌بندی دریایی/شرایط طبقه‌بندی دریایی برای خارج از کشور). گواهینامه ISO 9001 تاسیسات تولیدی باید یک نیاز پایه برای تمام خرید درایوهای MV باشد.
• شبکه خدمات سازنده و در دسترس بودن قطعات یدکی: تأیید کنید که سازنده مهندسین خدمات واجد شرایط را در مدت زمان پاسخ تجاری قابل قبول برای مکان تأسیسات شما در دسترس دارد. قطعات یدکی حیاتی - سلول‌های قدرت، بردهای درایو گیت، پردازنده‌های کنترلی - را شناسایی کنید و تأیید کنید که در انبار یا با زمان قابل قبولی در دسترس هستند. برای مکان‌های دورافتاده یا بین‌المللی، قرارداد نگهداری قطعات یدکی محلی با سازنده یا یک شریک خدمات واجد شرایط، خطر خرابی طولانی‌مدت پس از خرابی قطعه را کاهش می‌دهد.