Die entscheidende Rolle von Mittelspannungs-Frequenzumrichtern für die industrielle Effizienz und Prozesssteuerung
Mittelspannungs-Frequenzumrichter (MV VFDs) sind wichtige leistungselektronische Geräte, die zur Steuerung der Drehzahl, des Drehmoments und der Richtung von Wechselstrommotoren verwendet werden, die mit Spannungen typischerweise zwischen 1 kV und 15 kV betrieben werden. Im Gegensatz zu Niederspannungs-VFDs bewältigen MV-Antriebe deutlich höhere Leistungsanforderungen, die oft von Hunderten von Kilowatt bis zu über 100 Megawatt reichen, was sie zu kritischen Komponenten in großen Industrie- und Versorgungsanwendungen macht.
Der Hauptvorteil des Einsatzes von MV-Frequenzumrichtern besteht in den erheblichen Energieeinsparungen, die durch die genaue Anpassung der Motordrehzahl an die erforderliche Last erzielt werden, insbesondere bei Anwendungen mit variablem Drehmoment wie Pumpen und Lüftern. Darüber hinaus bieten sie eine hervorragende Prozesskontrolle, reduzieren die mechanische Belastung beim Motorstart und bieten wertvolle Leistungsqualitätsfunktionen wie Leistungsfaktorkorrektur und Oberschwingungsminderung.
Erweiterte Topologien und Architekturdesign von MV-VFDs
Die interne Architektur von Mittelspannungs-Umrichtern ist deutlich vielfältiger und komplexer als die ihrer Niederspannungs-Gegenstücke, da hohe Spannungen verarbeitet und harmonische Verzerrungen gemindert werden müssen. MV-Antriebe verwenden im Allgemeinen einen dreistufigen Aufbau: einen Wandler (Gleichrichter) zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom, einen Gleichstromzwischenkreis zur Energiespeicherung und -glättung und einen Wechselrichter zur Rückumwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom mit variabler Frequenz für den Motor.
Mehrstufige Wechselrichtertopologien für verbesserte Ausgangsqualität
Um eine sinusförmigere, „motorfreundlichere“ Ausgangswellenform zu erzeugen und die Spannungsanstiegszeit ( ) zu begrenzen, die die Motorisolierung beschädigen kann, verwenden Mittelspannungs-Frequenzumrichter typischerweise mehrstufige Wechselrichtertopologien. Diese Designs synthetisieren die AC-Ausgangsspannung in mehreren Schritten (Stufen) statt in zwei, wie es bei Niederspannungsantrieben üblich ist. Zu den zwei prominenten Mehrebenen-Topologien gehören:
- Kaskadierte H-Brücke (CHB): Diese beliebte Spannungsquellentopologie verwendet mehrere in Reihe geschaltete Niederspannungs-H-Brückenzellen pro Phase. Jede Zelle verfügt über einen eigenen Eingangsgleichrichter und der kombinierte Ausgang liefert eine hochwertige, mehrstufige Wellenform. CHB erfordert häufig einen komplexen Phasenschieber-Eingangstransformator mit mehreren Wicklungen, der normalerweise in das Antriebspaket integriert ist.
- Neutral Point Clamped (NPC): Die 3-Level-NPC-Topologie ist gut etabliert und nutzt Dioden oder aktive Schalter, um die Ausgangsspannung auf einen Neutralpunkt zu klemmen und so drei Spannungsniveaus zu erzeugen. Es bietet eine kompakte Bauweise und ist für Spannungen bis etwa 4,16 kV geeignet. Es kommen auch fortgeschrittene Varianten wie das Active Neutral Point Clamped (ANPC) oder höherstufige NPC zum Einsatz.
Stromquellen-Inverter (CSI) vs. Spannungsquellen-Inverter (VSI)-Architekturen
MV-Frequenzumrichter lassen sich auch anhand ihrer DC-Link-Komponente grob kategorisieren:
- Spannungsquellenwechselrichter (VSI): Dies ist der modernere und weit verbreitete Ansatz, bei dem Kondensatoren im Gleichstromzwischenkreis zum Speichern und Regeln einer konstanten Gleichspannung eingesetzt werden. VSI-Antriebe verwenden IGBTs im Wechselrichterbereich und sind für ihre gute dynamische Leistung bekannt. Mehrstufige Topologien wie CHB und NPC sind VSI-Varianten.
- Current Source Inverter (CSI): Eine ausgereifte Technologie, die eine große Induktivität im Gleichstromzwischenkreis verwendet, um einen konstanten Gleichstrom aufrechtzuerhalten. CSI-Antriebe verwenden häufig Gate-Turn-Off-Thyristoren (GTO) oder modernere Geräte wie SGCTs (Symmetric Gate Commutated Thyristors) im Wechselrichter. Sie sind robust und werden häufig in Anwendungen mit sehr großer Leistung oder mit Synchronmotoren eingesetzt.
Kritische Anwendungen in Schlüsselindustrien
Die Robustheit, die hohe Leistungskapazität und die präzise Steuerung von Mittelspannungs-Frequenzumrichtern machen sie in mehreren anspruchsvollen Sektoren unverzichtbar.
Die folgende Tabelle fasst gängige MV-VFD-Anwendungen und die damit verbundenen Vorteile für die Prozesssteuerung zusammen:
| Industrie | Typische Anwendung | Wesentlicher betrieblicher Vorteil |
| Öl und Gas | Kompressoren (Kolbenkompressoren und Zentrifugalkompressoren), Pumpen | Präzise Durchfluss- und Druckregulierung, Sanftanlauf und Energieeffizienz. |
| Bergbau und Zement | Brecher, Förderer, Mühlen (Kugel- und Durchhangmühlen) | Hohes Anlaufdrehmoment, Drehzahlregelung für optimiertes Zerkleinern/Mahlen und reduzierte mechanische Belastung. |
| Versorgungsbetriebe (Wasser/Abwasser) | Hochhubpumpen, Gebläse | Optimierte Flüssigkeitsfluss- und Füllstandskontrolle, erhebliche Energieeinsparungen durch variable Drehmomentlasten. |
| Stromerzeugung | Kesselspeisepumpen, ID/FD-Lüfter | Verbesserte Kesseleffizienz, Verbrennungskontrolle und reduzierter Hilfsstromverbrauch. |
Überlegungen zur Oberschwingungsminderung und zur Netzqualität
Ein wichtiger technischer Aspekt bei Mittelspannungs-Frequenzumrichtern ist die Bewältigung harmonischer Verzerrungen, die sich negativ auf das Stromnetz und andere angeschlossene Geräte auswirken können. MV-VFD-Designs berücksichtigen dieses Problem von Natur aus durch ihre Mehrpuls- und Mehrebenenkonfigurationen.
Der Eingangsabschnitt eines MV-Frequenzumrichters verwendet typischerweise einen Mehrpuls-Diodengleichrichter (z. B. 18-Puls oder 24-Puls), der mit einem Phasenschiebertransformator gekoppelt ist. Durch Erhöhen der Impulszahl wird die Größe der in die Versorgungsleitung zurückgespeisten Harmonischen niedriger Ordnung minimiert. Darüber hinaus verwenden einige moderne Antriebe Active Front Ends (AFEs), die passive Gleichrichter durch aktive Schalter (IGBTs) ersetzen. AFEs sind im Wesentlichen ein zweiter Wechselrichter, der:
- Steuern und beseitigen Sie aktiv harmonische Verzerrungen und erreichen Sie einen Eingangsleistungsfaktor von nahezu eins (nahe 1,0).
- Ermöglichen Sie regeneratives Bremsen, bei dem die kinetische Energie des Motors in die Stromleitung zurückgespeist wird, eine entscheidende Funktion für Lasten wie Kräne und Förderbänder.
Die Implementierung von MV-VFDs erfordert eine sorgfältige Gestaltung und Koordination auf Systemebene, um die Einhaltung von Versorgungsstandards (wie IEEE 519) sicherzustellen und die Systemzuverlässigkeit und betriebliche Vorteile zu maximieren.
