الدليل الأساسي لطوبولوجيات VFD متوسطة الجهد والتطبيقات الصناعية

الدور الحاسم لمحركات VFD ذات الجهد المتوسط في الكفاءة الصناعية والتحكم في العمليات

محركات التردد المتغير ذات الجهد المتوسط (MV VFDs) هي أجهزة إلكترونية أساسية للطاقة تستخدم للتحكم في سرعة الدوران وعزم الدوران واتجاه محركات التيار المتردد التي تعمل بجهد يتراوح عادة من 1 كيلو فولت إلى 15 كيلو فولت. على عكس محركات VFD ذات الجهد المنخفض، تتعامل محركات الجهد المتوسط ​​مع متطلبات طاقة أعلى بكثير، وتمتد غالبًا من مئات الكيلووات إلى أكثر من 100 ميجاوات، مما يجعلها مكونات مهمة في التطبيقات الصناعية والمرافق واسعة النطاق.

تتمثل الفائدة الأساسية لنشر MV VFDs في توفير الطاقة الكبير الذي يتم تحقيقه من خلال مطابقة سرعة المحرك بدقة مع الحمل المطلوب، خاصة في تطبيقات عزم الدوران المتغير مثل المضخات والمراوح. علاوة على ذلك، فهي توفر تحكمًا فائقًا في العملية، وتقلل من الضغط الميكانيكي أثناء بدء تشغيل المحرك، وتوفر ميزات قيمة لجودة الطاقة مثل تصحيح عامل الطاقة والتخفيف التوافقي.

الطبولوجيا المتقدمة والتصميم المعماري لـ MV VFDs

تعد البنية الداخلية لـ MV VFDs أكثر تنوعًا وتعقيدًا بشكل ملحوظ من نظيراتها ذات الجهد المنخفض نظرًا لضرورة التعامل مع الفولتية العالية وتخفيف التشوه التوافقي. تستخدم محركات الجهد المتوسط ​​عمومًا تصميمًا ثلاثي المراحل: محول (مقوم) لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر، ووصلة تيار مستمر لتخزين الطاقة وتنعيمها، وعاكس لتحويل التيار المستمر مرة أخرى إلى طاقة تيار متردد متغيرة التردد للمحرك.

طبولوجيا عاكسة متعددة المستويات لتحسين جودة المخرجات

لإنتاج شكل موجة خرج أكثر جيبية "صديقة للمحرك" والحد من وقت ارتفاع الجهد ( ) الذي يمكن أن يلحق الضرر بعزل المحرك، تستخدم عادةً أجهزة MV VFD طبولوجيا عاكسة متعددة المستويات. تعمل هذه التصميمات على تجميع جهد خرج التيار المتردد في خطوات (مستويات) متعددة بدلاً من اثنتين، وهو أمر شائع في محركات الأقراص ذات الجهد المنخفض. تتضمن اثنين من الطبولوجيا البارزة متعددة المستويات ما يلي:

• جسر H المتتالي (CHB): تستخدم طوبولوجيا مصدر الجهد الشائعة هذه خلايا جسر H متعددة متصلة بالسلاسل ومنخفضة الجهد لكل مرحلة. تحتوي كل خلية على مقوم الإدخال الخاص بها، ويوفر الإخراج المدمج شكلًا موجيًا عالي الجودة ومتعدد الخطوات. غالبًا ما يتطلب CHB محول إدخال معقد متعدد اللفات لتحويل الطور، والذي يتم دمجه عادةً في حزمة محرك الأقراص.
• نقطة محايدة مثبتة (NPC): إن طوبولوجيا NPC ثلاثية المستويات راسخة وتستخدم الثنائيات أو المفاتيح النشطة لربط جهد الخرج إلى نقطة محايدة، مما يخلق ثلاثة مستويات للجهد. إنه يوفر تصميمًا مدمجًا ومناسبًا للجهود التي تصل إلى حوالي 4.16 كيلو فولت. يتم أيضًا استخدام المتغيرات المتقدمة مثل Active Neutral Point Clamped (ANPC) أو NPC ذات المستوى الأعلى.

عاكس مصدر التيار (CSI) مقابل معمارية عاكس مصدر الجهد (VSI).

يمكن أيضًا تصنيف MV VFDs على نطاق واسع بناءً على مكون رابط DC الخاص بها:

• عاكس مصدر الجهد (VSI): هذا هو النهج الأكثر حداثة والمستخدم على نطاق واسع، حيث يستخدم المكثفات في وصلة التيار المستمر لتخزين وتنظيم الجهد المستمر للتيار المستمر. تستخدم محركات VSI IGBTs في قسم العاكس وهي معروفة بأداء ديناميكي جيد. الطبولوجيا متعددة المستويات مثل CHB وNPC هي متغيرات VSI.
• عاكس مصدر التيار (CSI): تقنية ناضجة تستخدم محثًا كبيرًا في وصلة التيار المستمر للحفاظ على تيار مستمر مستمر. غالبًا ما تستخدم محركات CSI ثايرستور Gate Turn-Off (GTO) أو الأجهزة الأكثر حداثة مثل SGCTs (الثايرستور المخفف بالبوابة المتماثلة) في العاكس. إنها قوية وتستخدم بشكل متكرر في تطبيقات الطاقة الكبيرة جدًا أو مع المحركات المتزامنة.

التطبيقات الهامة عبر الصناعات الرئيسية

إن المتانة وقدرة الطاقة العالية والتحكم الدقيق الذي توفره MV VFDs تجعلها لا غنى عنها في العديد من القطاعات الصعبة.

يلخص الجدول التالي تطبيقات MV VFD الشائعة وفوائد التحكم في العملية التي تقدمها:

التخفيف التوافقي واعتبارات جودة الطاقة

أحد الاعتبارات الفنية الهامة لـ MV VFDs هو إدارة التشوه التوافقي، والذي يمكن أن يؤثر سلبًا على شبكة الطاقة والمعدات المتصلة الأخرى. تعالج تصميمات MV VFD هذا الأمر بطبيعتها من خلال تكويناتها المتعددة النبضات والمتعددة المستويات.

يستخدم قسم الإدخال في MV VFD عادةً مقوم الصمام الثنائي متعدد النبض (على سبيل المثال، 18 نبضة أو 24 نبضة) مقترنًا بمحول تحويل الطور. تؤدي زيادة عدد النبضات إلى تقليل حجم التوافقيات ذات الترتيب المنخفض التي يتم حقنها مرة أخرى في خط المرافق. علاوة على ذلك، تستخدم بعض محركات الأقراص الحديثة الواجهات الأمامية النشطة (AFEs)، والتي تحل محل المقومات السلبية بمفاتيح نشطة (IGBTs). AFEs هي في الأساس عاكس ثانٍ يمكنه:

• التحكم بشكل فعال في التشوه التوافقي والقضاء عليه، مما يحقق عامل طاقة مدخلات قريب من الوحدة (قريب من 1.0).
• السماح بالكبح المتجدد، حيث يتم تغذية الطاقة الحركية من المحرك مرة أخرى إلى خط الطاقة، وهي ميزة مهمة للأحمال مثل الرافعات والناقلات المنحدرة.

يتطلب تنفيذ MV VFDs تصميمًا وتنسيقًا دقيقًا على مستوى النظام لضمان الامتثال لمعايير المرافق (مثل IEEE 519) ولتعظيم موثوقية النظام والفوائد التشغيلية.