คู่มือสำคัญสำหรับโทโพโลยี VFD แรงดันไฟฟ้าปานกลางและการใช้งานทางอุตสาหกรรม

บทบาทสำคัญของ VFD แรงดันไฟฟ้าปานกลางในประสิทธิภาพทางอุตสาหกรรมและการควบคุมกระบวนการ

ไดรฟ์ความถี่ตัวแปรแรงดันปานกลาง (MV VFD) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่จำเป็นซึ่งใช้ในการควบคุมความเร็วในการหมุน แรงบิด และทิศทางของมอเตอร์ AC ที่ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าโดยทั่วไปตั้งแต่ 1 kV ถึง 15 kV แตกต่างจาก VFD แรงดันต่ำ ไดรฟ์ MV รองรับความต้องการพลังงานที่สูงขึ้นอย่างมาก โดยมักจะขยายจากหลายร้อยกิโลวัตต์เป็นมากกว่า 100 เมกะวัตต์ ทำให้เป็นส่วนประกอบที่สำคัญในการใช้งานอุตสาหกรรมและสาธารณูปโภคขนาดใหญ่

ประโยชน์หลักของการใช้ MV VFD คือการประหยัดพลังงานได้มากโดยการจับคู่ความเร็วมอเตอร์กับโหลดที่ต้องการอย่างแม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานแรงบิดแบบแปรผัน เช่น ปั๊มและพัดลม นอกจากนี้ ยังมีการควบคุมกระบวนการที่เหนือกว่า ลดความเครียดทางกลในระหว่างการสตาร์ทมอเตอร์ และให้คุณสมบัติด้านคุณภาพกำลังที่มีคุณค่า เช่น การแก้ไขตัวประกอบกำลังและการลดฮาร์มอนิก

โทโพโลยีขั้นสูงและการออกแบบสถาปัตยกรรมของ MV VFD

สถาปัตยกรรมภายในของ MV VFD มีความหลากหลายและซับซ้อนกว่าสถาปัตยกรรมแรงดันต่ำอย่างเห็นได้ชัด เนื่องจากความจำเป็นในการจัดการกับแรงดันไฟฟ้าสูงและลดการบิดเบือนฮาร์มอนิก โดยทั่วไปไดรฟ์ MV ใช้การออกแบบสามขั้นตอน: ตัวแปลง (วงจรเรียงกระแส) เพื่อแปลง AC เป็น DC, ลิงค์ DC สำหรับการจัดเก็บพลังงานและการปรับให้เรียบ และอินเวอร์เตอร์เพื่อแปลง DC กลับเป็นพลังงาน AC ความถี่แปรผันสำหรับมอเตอร์

โทโพโลยีอินเวอร์เตอร์หลายระดับเพื่อเพิ่มคุณภาพเอาต์พุต

เพื่อสร้างรูปคลื่นเอาท์พุตที่เป็นไซนูซอยด์และ "เป็นมิตรกับมอเตอร์" มากขึ้น และจำกัดเวลาที่เพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้า ( ) ที่อาจสร้างความเสียหายให้กับฉนวนของมอเตอร์ โดยทั่วไป MV VFD จะใช้โทโพโลยีอินเวอร์เตอร์หลายระดับ การออกแบบเหล่านี้จะสังเคราะห์แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุต AC ในหลายขั้นตอน (ระดับ) แทนที่จะเป็นสองขั้นตอน ซึ่งเป็นเรื่องปกติในไดรฟ์แรงดันต่ำ โทโพโลยีหลายระดับที่โดดเด่นสองรายการ ได้แก่:

• Cascaded H-Bridge (CHB): โทโพโลยีแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ายอดนิยมนี้ใช้เซลล์ H-bridge แรงดันต่ำที่เชื่อมต่อหลายชุดต่อเฟส แต่ละเซลล์มีวงจรเรียงกระแสอินพุตของตัวเอง และเอาท์พุตที่รวมกันจะให้รูปคลื่นแบบหลายขั้นตอนคุณภาพสูง CHB มักต้องใช้หม้อแปลงอินพุตแบบเปลี่ยนเฟสแบบหลายขดลวดที่ซับซ้อน ซึ่งโดยทั่วไปจะรวมอยู่ในแพ็คเกจไดรฟ์
• Neutral Point Clamped (NPC): โทโพโลยี NPC 3 ระดับได้รับการยอมรับอย่างดี และใช้ไดโอดหรือสวิตช์แบบแอคทีฟเพื่อยึดแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตไว้ที่จุดที่เป็นกลาง ทำให้เกิดระดับแรงดันไฟฟ้าสามระดับ มีการออกแบบที่กะทัดรัดและเหมาะสำหรับแรงดันไฟฟ้าสูงถึงประมาณ 4.16 kV นอกจากนี้ยังใช้ตัวแปรขั้นสูง เช่น Active Neutral Point Clamped (ANPC) หรือ NPC ระดับสูงกว่าอีกด้วย

สถาปัตยกรรมอินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายกระแส (CSI) กับสถาปัตยกรรมอินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า (VSI)

MV VFD ยังสามารถแบ่งประเภทกว้างๆ ตามส่วนประกอบ DC link:

• อินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า (VSI): นี่เป็นแนวทางที่ทันสมัยกว่าและใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยใช้ตัวเก็บประจุในดีซีลิงค์เพื่อจัดเก็บและควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงคงที่ ไดรฟ์ VSI ใช้ IGBT ในส่วนอินเวอร์เตอร์และขึ้นชื่อในด้านประสิทธิภาพไดนามิกที่ดี โทโพโลยีหลายระดับเช่น CHB และ NPC เป็นตัวแปร VSI
• อินเวอร์เตอร์แหล่งกระแส (CSI): เทคโนโลยีที่สมบูรณ์ซึ่งใช้ตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ในดีซีลิงค์เพื่อรักษากระแสไฟตรงให้คงที่ ไดรฟ์ CSI มักใช้ไทริสเตอร์ Gate Turn-Off (GTO) หรืออุปกรณ์ที่ทันสมัยกว่า เช่น SGCT (Symmetric Gate Commutated Thyristors) ในอินเวอร์เตอร์ มีความทนทานและใช้บ่อยในการใช้งานที่มีกำลังไฟฟ้าขนาดใหญ่มากหรือกับมอเตอร์ซิงโครนัส

การใช้งานที่สำคัญในอุตสาหกรรมหลักๆ

ความทนทาน ความจุกำลังสูง และการควบคุมที่แม่นยำของ MV VFD ทำให้เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในภาคส่วนที่มีความต้องการสูง

ตารางต่อไปนี้สรุปการใช้งาน MV VFD ทั่วไปและคุณประโยชน์ในการควบคุมกระบวนการที่ได้รับ:

การพิจารณาการลดฮาร์มอนิกและคุณภาพไฟฟ้า

ข้อควรพิจารณาทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับ MV VFD คือการจัดการความผิดเพี้ยนของฮาร์โมนิก ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อโครงข่ายไฟฟ้าและอุปกรณ์เชื่อมต่ออื่นๆ การออกแบบ MV VFD แก้ไขปัญหานี้โดยธรรมชาติผ่านการกำหนดค่าหลายพัลส์และหลายระดับ

ส่วนอินพุตของ MV VFD โดยทั่วไปจะใช้วงจรเรียงกระแสไดโอดแบบหลายพัลส์ (เช่น 18 พัลส์หรือ 24 พัลส์) ควบคู่ไปกับหม้อแปลงเปลี่ยนเฟส การเพิ่มจำนวนพัลส์จะลดขนาดของฮาร์โมนิกลำดับต่ำที่ถูกฉีดกลับเข้าไปในสายไฟฟ้า นอกจากนี้ ไดรฟ์สมัยใหม่บางรุ่นยังใช้ Active Front Ends (AFE) ซึ่งแทนที่ตัวเรียงกระแสแบบพาสซีฟด้วยสวิตช์แบบแอคทีฟ (IGBT) AFE นั้นเป็นอินเวอร์เตอร์ตัวที่สองที่สามารถ:

• ควบคุมและกำจัดความผิดเพี้ยนของฮาร์มอนิกอย่างแข็งขัน เพื่อให้ได้ค่ากำลังไฟฟ้าอินพุตที่ใกล้เคียงเอกภาพ (ใกล้กับ 1.0)
• ปล่อยให้มีการเบรกแบบจ่ายพลังงานใหม่ โดยที่พลังงานจลน์จากมอเตอร์ถูกป้อนกลับเข้าไปในสายไฟ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญสำหรับโหลด เช่น เครนและสายพานลำเลียงแบบลงเนิน

การใช้ MV VFD จำเป็นต้องมีการออกแบบและการประสานงานระดับระบบอย่างระมัดระวัง เพื่อให้มั่นใจว่าสอดคล้องกับมาตรฐานยูทิลิตี้ (เช่น IEEE 519) และเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบและผลประโยชน์ในการดำเนินงาน