Antriebsindustrie: Der Mittelspannungs-Frequenzumrichter

Die Mittelspannungs-Frequenzumrichter (MV VFD) ist ein wichtiges Element der Leistungselektronik, das eine präzise Steuerung und einen effizienten Betrieb von Wechselstrommotoderen in einer Vielzahl industrieller Anwendungen ermöglicht. Als Schnittstelle zwischen der Stromversorgung und dem Motor moduliert der MV-Frequenzumrichter die Frequenz und Spannung, die dem Motor zugeführt werden, und ermöglicht so eine sanfte und genaue Änderung von Drehzahl und Drehmoment.

Mittelspannung definieren

Im Zusammenhang mit elektrischen Energiesystemen bezieht sich „Mittelspannung“ im Allgemeinen auf einen Bereich elektrischer Potenziale, typischerweise zwischen $1\text{kV}$ und $35\text{kV}$ . Dieser Bereich ist deutlich höher als die Niederspannung, die in Privathäusern und kleinen Gewerbegebäuden verwendet wird (normalerweise unter $1\text{kV}$ ). Motoren, die für den Betrieb bei diesen höheren Spannungsniveaus ausgelegt sind, sind in der Schwerindustrie wie Öl und Gas, Bergbau, Stromerzeugung, Wasseraufbereitung und Petrochemie weit verbreitet, wo große Motorleistungen (oftmals) erforderlich sind $\text{MW}$ Klasse) ist für Pumpen, Kompressoren, Lüfter und Fördersysteme erforderlich.

Kernfunktion und Technologie

Die primary function of a Mittelspannungs-Frequenzumrichter besteht darin, die Motorgeschwindigkeit zu regulieren. Durch die Steuerung der Frequenz des dem Motor zugeführten Wechselstroms regelt der Antrieb direkt die Drehzahl, wie durch die Synchrondrehzahlformel des Motors definiert: $N_s=\frac{120f}{P}$ , wo $N_s$ ist die Synchrongeschwindigkeit, $f$ ist die Frequenz und $P$ ist die Anzahl der Motorpole.

Die internal operation of the MV VFD involves three main stages:

1. Berichtigung: Eingehender Wechselstrom wird in Gleichstrom umgewandelt.

2. DC-Link: Die DC power is smoothed using capacitors or inductors.

3. Umkehrung: Die DC power is converted back into AC power with the desired, variabel Frequenz und Spannung. Dies wird typischerweise durch den Einsatz von Hochleistungs-Halbleiterschaltern erreicht, wie z Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) or Gate-Turn-Off-Thyristoren (GTOs) .

Aufgrund der höheren Spannungsebenen verwenden MV-Frequenzumrichter spezielle Topologien wie z Mehrstufige Wechselrichter (z. B. Neutral Point Clamped (NPC), Flying Capacitor oder Cascaded H-Bridge (CHB)) – um die Spannungsbelastung an den Halbleitern zu bewältigen und eine qualitativ hochwertige Ausgangswellenform (geringe harmonische Verzerrung) zu erreichen. Besonders beliebt ist die kaskadierte H-Brücken-Topologie, da sie die Reihenschaltung von Standard-Niederspannungskomponenten zur Synthese der Mittelspannung ermöglicht.

Hauptvorteile und Anwendungen

Die adoption of the Mittelspannungs-Frequenzumrichter bietet überzeugende Vorteile, die sich in erheblichen betrieblichen Vorteilen niederschlagen:

• Energieeinsparungen: Dies ist oft der größte Vorteil. Bei Pumpen- und Lüfteranwendungen ist die verbrauchte Leistung proportional zur dritten Potenz der Drehzahl ( $P\propto N^3$ ). Eine kleine Geschwindigkeitsreduzierung, die über den VFD erreicht wird, führt zu erheblichen Energieeinsparungen im Vergleich zu herkömmlichen Methoden wie Drosselventilen oder Dämpfern.

• Prozesskontrolle: VFDs ermöglichen eine präzise Drehzahl- und Drehmomentsteuerung und optimieren Prozesse für maximale Effizienz, Qualität und Leistung.

• Reduzierte mechanische Belastung: Durch die Aktivierung Sanftanlauf (allmähliche Beschleunigung) reduziert der VFD die hohen Einschaltströme und mechanischen Stöße, die mit dem Direktstart am Netz einhergehen, erheblich und verlängert so die Lebensdauer des Motors und der angeschlossenen Geräte.

• Verbesserung der Stromqualität: Moderne MV-VFD-Designs enthalten häufig Funktionen, die harmonische Verzerrungen minimieren, die in das Stromnetz zurückgestrahlt werden, und dabei strenge Stromqualitätsstandards einhalten.

Diese advantages make the MV VFD indispensable in sectors requiring continuous, large-scale motor operation. Common applications include:

1. Pumpen und Kompressoren: Optimierung des Durchflusses in Pipelines, Raffinerien und Wasserversorgungsunternehmen.

2. Ventilatoren und Gebläse: Steuerung des Luftstroms in Öfen, Kraftwerken und Lüftungssystemen.

3. Förderer und Brecher: Steuerung der Geschwindigkeit und Last des Materialtransports im Bergbau und in der Zementproduktion.

4. Extruder und Mühlen: Bereitstellung einer präzisen Geschwindigkeitsregulierung in Fertigungsprozessen.