Vai trò quan trọng của VFD trung áp trong hiệu quả công nghiệp và kiểm soát quy trình
Ổ đĩa biến tần trung áp (MV VFD) là các thiết bị điện tử công suất thiết yếu được sử dụng để điều khiển tốc độ quay, mô-men xoắn và hướng của động cơ xoay chiều hoạt động ở điện áp thường từ 1 kV đến 15 kV. Không giống như VFD điện áp thấp, bộ điều khiển MV xử lý các yêu cầu năng lượng cao hơn đáng kể, thường kéo dài từ hàng trăm kilowatt đến hơn 100 megawatt, khiến chúng trở thành bộ phận quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp và tiện ích quy mô lớn.
Lợi ích chính của việc triển khai MV VFD là tiết kiệm năng lượng đáng kể nhờ khớp chính xác tốc độ động cơ với tải yêu cầu, đặc biệt trong các ứng dụng mô-men xoắn thay đổi như máy bơm và quạt. Hơn nữa, chúng còn cung cấp khả năng kiểm soát quy trình ưu việt, giảm ứng suất cơ học trong quá trình khởi động động cơ và cung cấp các tính năng chất lượng điện năng có giá trị như hiệu chỉnh hệ số công suất và giảm thiểu sóng hài.
Cấu trúc liên kết nâng cao và thiết kế kiến trúc của MV VFD
Cấu trúc bên trong của VFD MV đa dạng và phức tạp hơn đáng kể so với các thiết bị điện áp thấp do nhu cầu xử lý điện áp cao và giảm thiểu méo sóng hài. Bộ truyền động trung thế thường sử dụng thiết kế ba giai đoạn: bộ chuyển đổi (bộ chỉnh lưu) để biến đổi AC thành DC, liên kết DC để lưu trữ và làm mịn năng lượng, và một bộ biến tần để chuyển ngược lại DC thành nguồn AC có tần số thay đổi cho động cơ.
Cấu trúc liên kết biến tần đa cấp để nâng cao chất lượng đầu ra
Để tạo ra dạng sóng đầu ra hình sin hơn, "thân thiện với động cơ" hơn và hạn chế thời gian tăng điện áp ( ) có thể làm hỏng cách điện của động cơ, MV VFD thường sử dụng cấu trúc liên kết biến tần nhiều cấp. Những thiết kế này tổng hợp điện áp đầu ra AC theo nhiều bước (mức) thay vì hai, thường thấy trong các biến tần điện áp thấp. Hai cấu trúc liên kết đa cấp nổi bật bao gồm:
- Cầu H xếp tầng (CHB): Cấu trúc liên kết nguồn điện áp phổ biến này sử dụng nhiều tế bào cầu H điện áp thấp, nối tiếp trên mỗi pha. Mỗi ô có bộ chỉnh lưu đầu vào riêng và đầu ra kết hợp cung cấp dạng sóng nhiều bước chất lượng cao. CHB thường yêu cầu một máy biến áp đầu vào chuyển pha nhiều cuộn dây phức tạp, thường được tích hợp vào gói truyền động.
- Kẹp điểm trung tính (NPC): Cấu trúc liên kết NPC 3 cấp độ được thiết lập tốt và sử dụng điốt hoặc công tắc hoạt động để kẹp điện áp đầu ra về điểm trung tính, tạo ra ba mức điện áp. Nó có thiết kế nhỏ gọn và phù hợp với điện áp lên tới khoảng 4,16 kV. Các biến thể nâng cao như Kẹp điểm trung tính chủ động (ANPC) hoặc NPC cấp cao hơn cũng được sử dụng.
Kiến trúc bộ biến tần nguồn hiện tại (CSI) và bộ biến tần nguồn điện áp (VSI)
MV VFD cũng có thể được phân loại rộng rãi dựa trên thành phần liên kết DC của chúng:
- Biến tần nguồn điện áp (VSI): Đây là phương pháp hiện đại và được sử dụng rộng rãi hơn, sử dụng các tụ điện trong liên kết DC để lưu trữ và điều chỉnh điện áp DC không đổi. Ổ đĩa VSI sử dụng IGBT trong phần biến tần và được biết đến với hiệu suất động tốt. Các cấu trúc liên kết đa cấp như CHB và NPC là các biến thể của VSI.
- Biến tần nguồn hiện tại (CSI): Một công nghệ hoàn thiện sử dụng cuộn cảm lớn trong liên kết DC để duy trì dòng điện một chiều không đổi. Ổ đĩa CSI thường sử dụng thyristor Gate Turn-Off (GTO) hoặc các thiết bị hiện đại hơn như SGCT (Symmetric Gate Commutated Thyristor) trong biến tần. Chúng mạnh mẽ và thường được sử dụng trong các ứng dụng công suất rất lớn hoặc với động cơ đồng bộ.
Các ứng dụng quan trọng trong các ngành công nghiệp chính
Sự mạnh mẽ, công suất cao và khả năng điều khiển chính xác do MV VFD mang lại khiến chúng không thể thiếu trong một số lĩnh vực đòi hỏi khắt khe.
Bảng sau đây tóm tắt các ứng dụng MV VFD phổ biến và lợi ích kiểm soát quy trình mà chúng mang lại:
| Công nghiệp | Ứng dụng điển hình | Lợi ích hoạt động chính |
| Dầu khí | Máy nén (qua lại và ly tâm), máy bơm | Điều chỉnh lưu lượng và áp suất chính xác, khởi động mềm và tiết kiệm năng lượng. |
| Khai thác & Xi măng | Máy nghiền, băng tải, máy nghiền (Ball và Sag) | Mô-men xoắn khởi động cao, kiểm soát tốc độ để nghiền/nghiền tối ưu và giảm ứng suất cơ học. |
| Tiện ích (Nước/Nước thải) | Máy bơm nâng cao, máy thổi | Kiểm soát mức và lưu lượng chất lỏng được tối ưu hóa, tiết kiệm năng lượng đáng kể do tải mô-men xoắn thay đổi. |
| Phát điện | Bơm cấp liệu cho nồi hơi, quạt ID/FD | Cải thiện hiệu suất lò hơi, kiểm soát quá trình đốt và giảm tiêu thụ năng lượng phụ trợ. |
Các cân nhắc về giảm thiểu hài hòa và chất lượng điện năng
Một vấn đề kỹ thuật quan trọng cần cân nhắc đối với VFD MV là quản lý độ méo sóng hài, có thể tác động tiêu cực đến lưới điện và các thiết bị được kết nối khác. Các thiết kế MV VFD vốn đã giải quyết vấn đề này thông qua cấu hình đa xung và đa cấp.
Phần đầu vào của MV VFD thường sử dụng bộ chỉnh lưu diode nhiều xung (ví dụ: 18 xung hoặc 24 xung) kết hợp với một máy biến áp chuyển pha. Việc tăng số lượng xung sẽ giảm thiểu cường độ của sóng hài bậc thấp được đưa trở lại đường dây tiện ích. Hơn nữa, một số ổ đĩa hiện đại sử dụng Active Front Ends (AFE), thay thế bộ chỉnh lưu thụ động bằng công tắc chủ động (IGBT). AFE về cơ bản là một biến tần thứ hai có thể:
- Tích cực kiểm soát và loại bỏ hiện tượng méo sóng hài, đạt được hệ số công suất đầu vào gần như thống nhất (gần 1,0).
- Cho phép phanh tái tạo, trong đó động năng từ động cơ được đưa trở lại đường dây điện, một tính năng quan trọng đối với các tải trọng như cần cẩu và băng tải xuống dốc.
Việc triển khai MV VFD yêu cầu thiết kế và phối hợp cẩn thận ở cấp hệ thống để đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn tiện ích (chẳng hạn như IEEE 519) và để tối đa hóa độ tin cậy của hệ thống cũng như lợi ích vận hành.
