Zásadní role vysokonapěťových VFD v průmyslové účinnosti a řízení procesů
Středněnapěťové frekvenční měniče (MV VFD) jsou základní výkonová elektronická zařízení používaná k řízení rychlosti otáčení, točivého momentu a směru střídavých motorů pracujících při napětí typicky v rozsahu od 1 kV do 15 kV. Na rozdíl od nízkonapěťových frekvenčních měničů zvládají vysokonapěťové měniče výrazně vyšší požadavky na výkon, často od stovek kilowattů až po více než 100 megawattů, což z nich činí kritické komponenty ve velkých průmyslových a užitkových aplikacích.
Primární výhodou nasazení MV VFD je značná úspora energie dosažená přesným přizpůsobením rychlosti motoru požadované zátěži, zejména v aplikacích s proměnným točivým momentem, jako jsou čerpadla a ventilátory. Kromě toho nabízejí vynikající řízení procesu, snižují mechanické namáhání při spouštění motoru a poskytují cenné vlastnosti kvality energie, jako je korekce účiníku a zmírnění harmonických.
Pokročilé topologie a architektonický návrh MV VFD
Vnitřní architektura MV VFD je výrazně rozmanitější a složitější než jejich nízkonapěťové protějšky kvůli nutnosti zvládnout vysoká napětí a zmírnit harmonické zkreslení. Frekvenční měniče obecně používají třístupňovou konstrukci: konvertor (usměrňovač) pro transformaci AC na DC, stejnosměrný meziobvod pro ukládání a vyhlazování energie a invertor pro přeměnu stejnosměrného proudu zpět na střídavý proud s proměnnou frekvencí pro motor.
Topologie víceúrovňových invertorů pro vylepšenou kvalitu výstupu
Pro vytvoření více sinusového, "motoru přátelského" výstupního tvaru a omezení doby nárůstu napětí ( ), která může poškodit izolaci motoru, VFD typicky využívají víceúrovňové invertorové topologie. Tyto návrhy syntetizují výstupní střídavé napětí ve více krocích (úrovních) spíše než ve dvou, což je běžné u nízkonapěťových pohonů. Dvě prominentní víceúrovňové topologie zahrnují:
- Kaskádový H-můstek (CHB): Tato oblíbená topologie zdroje napětí využívá několik sériově zapojených nízkonapěťových článků H-můstku na fázi. Každý článek má svůj vlastní vstupní usměrňovač a kombinovaný výstup poskytuje vysoce kvalitní vícestupňový průběh. CHB často vyžaduje složitý vícevinutý vstupní transformátor s fázovým posunem, který je obvykle integrován do jednotky měniče.
- Neutral Point Clamped (NPC): 3-úrovňová NPC topologie je dobře zavedená a využívá diody nebo aktivní spínače pro upnutí výstupního napětí do neutrálního bodu, čímž se vytvoří tři napěťové úrovně. Nabízí kompaktní design a je vhodný pro napětí do cca 4,16 kV. Používají se také pokročilé varianty jako Active Neutral Point Clamped (ANPC) nebo NPC vyšší úrovně.
Architektura měniče proudu (CSI) vs. měniče zdroje napětí (VSI).
MV VFD lze také široce kategorizovat na základě jejich složky stejnosměrného meziobvodu:
- Invertor zdroje napětí (VSI): Toto je modernější a široce používaný přístup, který využívá kondenzátory ve stejnosměrném meziobvodu k ukládání a regulaci konstantního stejnosměrného napětí. Pohony VSI používají IGBT v invertorové sekci a jsou známé svým dobrým dynamickým výkonem. Víceúrovňové topologie jako CHB a NPC jsou varianty VSI.
- Current Source Inverter (CSI): Vyspělá technologie, která využívá velký induktor ve stejnosměrném meziobvodu k udržení konstantního stejnosměrného proudu. Pohony CSI často používají ve střídači tyristory Gate Turn-Off (GTO) nebo modernější zařízení jako SGCT (Symmetric Gate Commutated Thyristors). Jsou robustní a často se používají ve velmi výkonných aplikacích nebo se synchronními motory.
Kritické aplikace napříč klíčovými odvětvími
Robustnost, vysoká výkonová kapacita a přesné ovládání, které nabízejí MV VFD, je činí nepostradatelnými v několika náročných sektorech.
Následující tabulka shrnuje běžné aplikace MV VFD a výhody řízení procesů, které poskytují:
| Průmysl | Typická aplikace | Klíčový provozní přínos |
| Ropa a plyn | Kompresory (pístové a odstředivé), čerpadla | Přesná regulace průtoku a tlaku, pozvolný rozběh a energetická účinnost. |
| Těžba a cement | Drtiče, dopravníky, mlýny (kulové a ságové) | Vysoký rozběhový moment, regulace otáček pro optimalizované drcení/mletí a snížené mechanické namáhání. |
| Služby (voda/odpadní voda) | Vysokozdvižná čerpadla, dmychadla | Optimalizovaný průtok kapaliny a regulace hladiny, významné úspory energie díky proměnlivému zatížení točivého momentu. |
| Výroba energie | Napájecí čerpadla kotlů, ventilátory ID/FD | Zlepšená účinnost kotle, řízení spalování a snížená spotřeba pomocné energie. |
Harmonické zmírnění a kvalita napájení
Významným technickým aspektem pro VN VFD je zvládání harmonického zkreslení, které může negativně ovlivnit rozvodnou síť a další připojená zařízení. Návrhy MV VFD to neodmyslitelně řeší prostřednictvím svých vícepulzních a víceúrovňových konfigurací.
Vstupní sekce MV VFD typicky využívá vícepulzní diodový usměrňovač (např. 18pulzní nebo 24pulzní) spojený s transformátorem s fázovým posunem. Zvýšení počtu impulsů minimalizuje velikost harmonických nižších řádů injektovaných zpět do vedení. Některé moderní pohony navíc využívají Active Front Ends (AFE), které nahrazují pasivní usměrňovače aktivními spínači (IGBT). AFE jsou v podstatě druhým měničem, který může:
- Aktivně kontrolujte a eliminujte harmonické zkreslení a dosáhněte vstupního účiníku blízkého jednotce (téměř 1,0).
- Umožňují rekuperační brzdění, kdy se kinetická energie z motoru vrací zpět do elektrického vedení, což je kritická funkce pro břemena, jako jsou jeřáby a sjezdové dopravníky.
Implementace MV VFD vyžaduje pečlivý návrh a koordinaci na úrovni systému, aby byla zajištěna shoda se standardy služeb (jako je IEEE 519) a maximalizována spolehlivost systému a provozní výhody.
