Решающая роль преобразователей среднего напряжения в промышленной эффективности и управлении процессами
Частотно-регулируемые приводы среднего напряжения (MV VFD) — это важные силовые электронные устройства, используемые для управления скоростью вращения, крутящим моментом и направлением двигателей переменного тока, работающих при напряжениях, обычно находящихся в диапазоне от 1 до 15 кВ. В отличие от низковольтных частотно-регулируемых приводов, приводы среднего напряжения выдерживают значительно более высокие требования к мощности, часто от сотен киловатт до более 100 мегаватт, что делает их критически важными компонентами в крупномасштабных промышленных и коммунальных приложениях.
Основным преимуществом использования частотно-регулируемых преобразователей среднего напряжения является значительная экономия энергии, достигаемая за счет точного согласования скорости двигателя с требуемой нагрузкой, особенно в устройствах с переменным крутящим моментом, таких как насосы и вентиляторы. Кроме того, они обеспечивают превосходное управление процессом, снижают механическое напряжение во время запуска двигателя и обеспечивают ценные функции качества электроэнергии, такие как коррекция коэффициента мощности и подавление гармоник.
Передовые топологии и архитектурное проектирование преобразователей среднего напряжения
Внутренняя архитектура преобразователей среднего напряжения значительно более разнообразна и сложна, чем их низковольтные аналоги, из-за необходимости выдерживать высокие напряжения и уменьшать гармонические искажения. В приводах среднего напряжения обычно используется трехступенчатая конструкция: преобразователь (выпрямитель) для преобразования переменного тока в постоянный, звено постоянного тока для накопления и сглаживания энергии и инвертор для преобразования постоянного тока обратно в переменный ток переменной частоты для двигателя.
Топологии многоуровневого инвертора для повышения качества выходного сигнала
Чтобы создать более синусоидальную, «безопасную для двигателя» выходную форму сигнала и ограничить время нарастания напряжения ( ), которое может повредить изоляцию двигателя, в преобразователях среднего напряжения обычно используются многоуровневые инверторные топологии. Эти конструкции синтезируют выходное напряжение переменного тока в несколько этапов (уровней), а не в два, что характерно для низковольтных приводов. Две известные многоуровневые топологии включают в себя:
- Каскадный H-мост (CHB). В этой популярной топологии источника напряжения используется несколько последовательно соединенных низковольтных ячеек H-моста на фазу. Каждая ячейка имеет свой собственный входной выпрямитель, а объединенный выход обеспечивает высококачественный многоступенчатый сигнал. Для CHB часто требуется сложный многообмоточный фазосдвигающий входной трансформатор, который обычно встроен в приводной блок.
- Закрепление нейтральной точки (NPC). Трехуровневая топология NPC хорошо известна и использует диоды или активные переключатели для фиксации выходного напряжения в нейтральной точке, создавая три уровня напряжения. Он имеет компактную конструкцию и подходит для напряжения примерно до 4,16 кВ. Также используются расширенные варианты, такие как активная фиксация нейтральной точки (ANPC) или NPC более высокого уровня.
Архитектура инвертора источника тока (CSI) и инвертора источника напряжения (VSI)
Частотно-регулируемые приводы среднего напряжения также можно разделить на общие категории в зависимости от их компонентов звена постоянного тока:
- Инвертор источника напряжения (VSI): это более современный и широко используемый подход, в котором в звене постоянного тока используются конденсаторы для хранения и регулирования постоянного напряжения. В преобразователях VSI используются IGBT в секции инвертора, и они известны хорошими динамическими характеристиками. Многоуровневые топологии, такие как CHB и NPC, являются вариантами VSI.
- Инвертор источника тока (CSI): зрелая технология, в которой используется большой дроссель в звене постоянного тока для поддержания постоянного тока. В приводах CSI в инверторе часто используются тиристоры с затвором (GTO) или более современные устройства, такие как SGCT (тиристоры с симметричным коммутацией затвора). Они надежны и часто используются в приложениях очень большой мощности или с синхронными двигателями.
Критически важные приложения в ключевых отраслях
Надежность, высокая мощность и точное управление, обеспечиваемые ЧРП среднего напряжения, делают их незаменимыми в ряде требовательных секторов.
В следующей таблице представлены распространенные приложения MV VFD и преимущества управления технологическими процессами, которые они обеспечивают:
| Промышленность | Типичное применение | Ключевое операционное преимущество |
| Нефть и газ | Компрессоры (поршневые и центробежные), Насосы | Точная регулировка расхода и давления, плавный пуск и энергоэффективность. |
| Горнодобывающая промышленность и цемент | Дробилки, конвейеры, мельницы (шаровые и провисающие) | Высокий пусковой момент, контроль скорости для оптимизации дробления/измельчения и снижения механических напряжений. |
| Коммунальные услуги (водоснабжение/сточные воды) | Высокоподъемные насосы, воздуходувки | Оптимизированный контроль расхода и уровня жидкости, значительная экономия энергии благодаря переменным крутящим моментам. |
| Производство электроэнергии | Питательные насосы для котлов, вентиляторы ID/FD | Повышенная эффективность котла, контроль горения и снижение потребления вспомогательной энергии. |
Вопросы снижения гармоник и качества электроэнергии
Важным техническим аспектом частотно-регулируемых преобразователей среднего напряжения является управление гармоническими искажениями, которые могут негативно повлиять на электросеть и другое подключенное оборудование. Конструкции MV VFD по своей сути решают эту проблему за счет многоимпульсных и многоуровневых конфигураций.
Во входной секции частотно-регулируемого привода среднего напряжения обычно используется многоимпульсный диодный выпрямитель (например, 18-пульсный или 24-пульсный), соединенный с фазосдвигающим трансформатором. Увеличение количества импульсов сводит к минимуму величину младших гармоник, возвращаемых обратно в сеть. Кроме того, в некоторых современных приводах используются активные выпрямители (AFE), которые заменяют пассивные выпрямители активными переключателями (IGBT). AFE – это, по сути, второй инвертор, который может:
- Активно контролируйте и устраняйте гармонические искажения, достигая коэффициента входной мощности, близкого к единице (около 1,0).
- Обеспечьте рекуперативное торможение, при котором кинетическая энергия двигателя возвращается в линию электропередачи, что является критически важной функцией для таких грузов, как краны и наклонные конвейеры.
Внедрение частотно-регулируемых преобразователей среднего напряжения требует тщательного проектирования и координации на уровне системы, чтобы обеспечить соответствие стандартам коммунальных услуг (таким как IEEE 519), а также максимизировать надежность системы и эксплуатационные преимущества.
