Industria energetica: il convertitore di frequenza a media tensione

Il Azionamento a frequenza variabile a media tensione (MV VFD) è un componente fondamentale dell'apparecchiatura elettronica di potenza che consente il controllo preciso e il funzionamento efficiente dei motoi CA in un'ampia gamma di applicazioni industriali. Funzioneo come interfaccia tra l'alimentazione e il motore, il VFD MV modula la frequenza e la tensione fornita al motore, consentendo di variarne la velocità e la coppia in modo fluido e preciso.

Definizione di media tensione

Nel contesto dei sistemi di alimentazione elettrica, "media tensione" si riferisce generalmente a un intervallo di potenziale elettrico tipicamente compreso tra $1\text{kV}$ and $35\text{kV}$ . Questa gamma è significativamente più alta della bassa tensione utilizzata nelle case e nei piccoli edifici commerciali (di solito sotto $1\text{kV}$ ). I motori progettati per funzionare a questi livelli di tensione più elevati sono comuni nelle industrie pesanti come petrolio e gas, miniere, produzione di energia, trattamento delle acque e petrolchimica, dove grandi potenze del motore (spesso $\text{MW}$ classe) è richiesta per pompe, compressori, ventilatori e sistemi di trasporto.

Funzione principale e tecnologia

Il primary function of a Azionamento a frequenza variabile a media tensione è quello di regolare la velocità del motore. Controllando la frequenza dell'alimentazione CA fornita al motore, l'azionamento regola direttamente la velocità di rotazione, come definito dalla formula della velocità sincrona del motore: $N_s=\frac{120f}{p}$ , dove $N_s$ è la velocità sincrona, $f$ è la frequenza e $p$ è il numero di poli del motore.

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

1. Rettifica: L'energia CA in ingresso viene convertita in energia CC.

2. Collegamento CC: Il DC power is smoothed using capacitors or inductors.

3. Inversione: Il DC power is converted back into AC power with the desired, variabile frequenza e tensione. Ciò viene generalmente ottenuto utilizzando interruttori a semiconduttore ad alta potenza, come Transistor bipolari a gate isolato (IGBT) or Tiristori di spegnimento del cancello (GTO) .

A causa dei livelli di tensione più elevati, i VFD MV utilizzano topologie specializzate, ad esempio Invertitori multilivello (ad esempio, Neutral point Clamped (NPC), Flying Capacitor o Cascaded H-Bridge (CHB)): per gestire lo stress di tensione attraverso i semiconduttori e ottenere una forma d'onda di uscita di alta qualità (bassa distorsione armonica). La topologia del ponte H in cascata è particolarmente apprezzata in quanto consente di collegare in serie componenti standard a bassa tensione per sintetizzare la media tensione.

Principali vantaggi e applicazioni

Il adoption of the Azionamento a frequenza variabile a media tensione offre vantaggi convincenti che si traducono in significativi vantaggi operativi:

• Risparmio energetico: Questo è spesso il vantaggio più significativo. Nelle applicazioni con pompe e ventilatori, la potenza consumata è proporzionale al cubo della velocità ( $p\propto N^3$ ). Una piccola riduzione della velocità ottenuta tramite il VFD porta a un sostanziale risparmio energetico rispetto ai metodi tradizionali come valvole di strozzamento o serrande.

• Controllo del processo: I VFD consentono un controllo preciso della velocità e della coppia, ottimizzando i processi per la massima efficienza, qualità e rendimento.

• Stress meccanico ridotto: Abilitando avviamento morbido (accelerazione graduale), il VFD riduce significativamente le elevate correnti di spunto e gli shock meccanici associati all'avviamento diretto, prolungando così la durata del motore e delle apparecchiature collegate.

• Miglioramento della qualità dell'energia: I moderni progetti VFD MV spesso incorporano funzionalità che riducono al minimo la distorsione armonica riflessa sulla rete elettrica, aderendo a rigorosi standard di qualità dell'energia.

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

1. Pompe e Compressori: Ottimizzazione del flusso in condutture, raffinerie e servizi idrici.

2. Ventilatori e soffianti: Controllo del flusso d'aria in forni, centrali elettriche e sistemi di ventilazione.

3. Trasportatori e Frantoi: Gestione della velocità e del carico di movimentazione dei materiali nell'industria mineraria e nella produzione di cemento.

4. Estrusori e Mulini: Fornire una regolazione precisa della velocità nei processi di produzione.