راهنمای ضروری توپولوژی های VFD ولتاژ متوسط ​​و کاربردهای صنعتی

نقش حیاتی VFD های ولتاژ متوسط در راندمان صنعتی و کنترل فرآیند

درایوهای فرکانس متغیر ولتاژ متوسط (MV VFD) ابزارهای الکترونیکی قدرت ضروری هستند که برای کنترل سرعت چرخش، گشتاور و جهت موتورهای AC که معمولاً در ولتاژهای بین 1 تا 15 کیلو ولت کار می کنند، استفاده می شوند. برخلاف VFD های ولتاژ پایین، درایوهای MV نیاز به توان بسیار بالاتری را انجام می دهند، که اغلب از صدها کیلووات تا بیش از 100 مگاوات افزایش می یابد، که آنها را به اجزای حیاتی در کاربردهای صنعتی و کاربردی در مقیاس بزرگ تبدیل می کند.

مزیت اصلی استفاده از MV VFD صرفه جویی قابل توجه در انرژی است که با تطبیق دقیق سرعت موتور با بار مورد نیاز، به ویژه در کاربردهای گشتاور متغیر مانند پمپ ها و فن ها به دست می آید. علاوه بر این، آنها کنترل فرآیند برتر را ارائه می‌دهند، تنش مکانیکی را در هنگام راه‌اندازی موتور کاهش می‌دهند و ویژگی‌های باارزشی کیفیت توان مانند تصحیح ضریب توان و کاهش هارمونیک را ارائه می‌کنند.

توپولوژی های پیشرفته و طراحی معماری VFD های MV

معماری داخلی VFD های MV به طور قابل توجهی متنوع تر و پیچیده تر از همتایان ولتاژ پایین آنها است که دلیل آن لزوم مدیریت ولتاژ بالا و کاهش اعوجاج هارمونیک است. درایوهای MV به طور کلی از یک طراحی سه مرحله ای استفاده می کنند: یک مبدل (یکسو کننده) برای تبدیل AC به DC، یک پیوند DC برای ذخیره انرژی و صاف کردن، و یک اینورتر برای تبدیل مجدد DC به برق متناوب فرکانس متغیر برای موتور.

توپولوژی اینورتر چند سطحی برای افزایش کیفیت خروجی

برای تولید شکل موج خروجی سینوسی تر و «دوستانه با موتور» و محدود کردن زمان افزایش ولتاژ ( ) که می تواند به عایق موتور آسیب برساند، VFD های MV معمولا از توپولوژی های اینورتر چند سطحی استفاده می کنند. این طرح ها ولتاژ خروجی متناوب متناوب را در چند مرحله (سطح) سنتز می کنند تا دو مرحله که در درایوهای ولتاژ پایین رایج است. دو توپولوژی چند سطحی برجسته عبارتند از:

• پل H آبشاری (CHB): این توپولوژی منبع ولتاژ محبوب از چندین سلول پل H کم ولتاژ متصل به سری در هر فاز استفاده می کند. هر سلول یکسو کننده ورودی مخصوص به خود را دارد و خروجی ترکیبی یک شکل موج با کیفیت بالا و چند مرحله ای را ارائه می دهد. CHB اغلب به یک ترانسفورماتور ورودی چند سیم پیچی پیچیده نیاز دارد که معمولاً در بسته درایو ادغام می شود.
• Neutral Point Clamped (NPC): توپولوژی 3 سطحی NPC به خوبی تثبیت شده است و از دیودها یا کلیدهای فعال برای بستن ولتاژ خروجی به نقطه خنثی استفاده می کند و سه سطح ولتاژ ایجاد می کند. این یک طراحی فشرده ارائه می دهد و برای ولتاژهای تا حدود 4.16 کیلو ولت مناسب است. انواع پیشرفته مانند Active Neutral Point Clamped (ANPC) یا NPC سطح بالاتر نیز استفاده می شود.

اینورتر منبع جریان (CSI) در مقابل معماری اینورتر منبع ولتاژ (VSI)

MV VFD ها را نیز می توان به طور کلی بر اساس مولفه پیوند DC آنها طبقه بندی کرد:

• اینورتر منبع ولتاژ (VSI): این رویکرد مدرن‌تر و پرکاربردتر است که از خازن‌ها در پیوند DC برای ذخیره و تنظیم ولتاژ DC ثابت استفاده می‌کند. درایوهای VSI از IGBT در بخش اینورتر استفاده می کنند و به عملکرد دینامیکی خوب معروف هستند. توپولوژی های چند سطحی مانند CHB و NPC انواع VSI هستند.
• اینورتر منبع جریان (CSI): یک فناوری بالغ است که از یک سلف بزرگ در پیوند DC برای حفظ جریان DC ثابت استفاده می کند. درایوهای CSI اغلب از تریستورهای خاموش کردن دروازه (GTO) یا دستگاه‌های مدرن‌تر مانند SGCT (تریستورهای متقارن متقارن با دروازه) در اینورتر استفاده می‌کنند. آنها قوی هستند و اغلب در کاربردهای قدرت بسیار بزرگ یا با موتورهای سنکرون استفاده می شوند.

کاربردهای حیاتی در صنایع کلیدی

استحکام، ظرفیت توان بالا، و کنترل دقیق ارائه شده توسط MV VFD ها، آنها را در چندین بخش سخت ضروری می کند.

جدول زیر کاربردهای متداول MV VFD و مزایای کنترل فرآیند آنها را خلاصه می کند:

ملاحظات کاهش هارمونیک و کیفیت توان

یک ملاحظات فنی قابل توجه برای VFD های MV مدیریت اعوجاج هارمونیک است که می تواند بر شبکه برق و سایر تجهیزات متصل تأثیر منفی بگذارد. طرح‌های MV VFD ذاتاً از طریق پیکربندی‌های چند پالس و چند سطحی خود به این موضوع می‌پردازند.

بخش ورودی یک MV VFD معمولاً از یکسوساز دیود چند پالس (به عنوان مثال، 18 پالس یا 24 پالس) همراه با یک ترانسفورماتور تغییر فاز استفاده می کند. افزایش تعداد پالس، مقدار هارمونیک های مرتبه پایینی را که دوباره به خط برق تزریق می شوند، به حداقل می رساند. علاوه بر این، برخی درایوهای مدرن از Active Front Ends (AFE) استفاده می کنند که یکسو کننده های غیرفعال را با سوئیچ های فعال (IGBT) جایگزین می کنند. AFE ها اساسا یک اینورتر دوم هستند که می توانند:

• به طور فعال کنترل و حذف اعوجاج هارمونیک، دستیابی به ضریب توان ورودی نزدیک به واحد (نزدیک به 1.0).
• امکان ترمز احیا کننده، جایی که انرژی جنبشی موتور به خط برق بازگردانده می شود، یک ویژگی حیاتی برای بارهایی مانند جرثقیل ها و نوار نقاله های سراشیبی است.

پیاده سازی MV VFD به طراحی و هماهنگی دقیق در سطح سیستم برای اطمینان از انطباق با استانداردهای ابزار (مانند IEEE 519) و به حداکثر رساندن قابلیت اطمینان سیستم و مزایای عملیاتی نیاز دارد.