산업 효율성 및 공정 제어에서 중전압 VFD의 중요한 역할
중전압 가변 주파수 드라이브 (MV VFD)은 일반적으로 1kV ~ 15kV 범위의 전압에서 작동하는 AC 모터의 회전 속도, 토크 및 방향을 제어하는 데 사용되는 필수 전력 전자 장치입니다. 저전압 VFD와 달리 MV 드라이브는 훨씬 더 높은 전력 요구 사항을 처리하며 종종 수백 킬로와트에서 최대 100메가와트 이상까지 확장되므로 대규모 산업 및 유틸리티 애플리케이션에서 중요한 구성 요소가 됩니다.
MV VFD 배치의 주요 이점은 특히 펌프 및 팬과 같은 가변 토크 응용 분야에서 모터 속도를 필요한 부하에 정확하게 일치시켜 상당한 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다는 것입니다. 또한 탁월한 프로세스 제어 기능을 제공하고 모터 시동 중 기계적 스트레스를 줄이며 역률 보정 및 고조파 완화와 같은 귀중한 전력 품질 기능을 제공합니다.
MV VFD의 고급 토폴로지 및 아키텍처 설계
MV VFD의 내부 아키텍처는 고전압을 처리하고 고조파 왜곡을 완화해야 하기 때문에 저전압 아키텍처보다 훨씬 더 다양하고 복잡합니다. MV 드라이브는 일반적으로 AC를 DC로 변환하는 컨버터(정류기), 에너지 저장 및 평활화를 위한 DC 링크, DC를 모터용 가변 주파수 AC 전력으로 다시 변환하는 인버터의 3단계 설계를 사용합니다.
향상된 출력 품질을 위한 다중 레벨 인버터 토폴로지
보다 정현파적인 "모터 친화적인" 출력 파형을 생성하고 모터 절연을 손상시킬 수 있는 전압 상승 시간( )을 제한하기 위해 MV VFD는 일반적으로 다중 레벨 인버터 토폴로지를 활용합니다. 이러한 설계는 저전압 드라이브에서 흔히 볼 수 있는 2단계가 아닌 여러 단계(레벨)로 AC 출력 전압을 합성합니다. 두 가지 주요 다중 레벨 토폴로지는 다음과 같습니다.
- 계단식 H-브리지(CHB): 이 인기 있는 전압 소스 토폴로지는 위상당 여러 개의 직렬 연결된 저전압 H-브리지 셀을 사용합니다. 각 셀에는 자체 입력 정류기가 있으며 결합된 출력은 고품질의 다단계 파형을 제공합니다. CHB에는 일반적으로 드라이브 패키지에 통합되는 복잡한 다중 권선 위상 변이 입력 변압기가 필요한 경우가 많습니다.
- NPC(중성점 고정): 3레벨 NPC 토폴로지는 잘 확립되어 있으며 다이오드 또는 능동 스위치를 사용하여 출력 전압을 중성점으로 고정하여 3가지 전압 레벨을 생성합니다. 컴팩트한 디자인을 제공하며 최대 약 4.16kV의 전압에 적합합니다. ANPC(Active Neutral Point Camped) 또는 더 높은 수준의 NPC와 같은 고급 변형도 사용됩니다.
전류 소스 인버터(CSI)와 전압 소스 인버터(VSI) 아키텍처
MV VFD는 DC 링크 구성 요소를 기준으로 광범위하게 분류될 수도 있습니다.
- 전압 소스 인버터(VSI): 이는 DC 링크에 커패시터를 사용하여 일정한 DC 전압을 저장하고 조절하는 보다 현대적이고 널리 사용되는 접근 방식입니다. VSI 드라이브는 인버터 부분에 IGBT를 사용하며 동적 성능이 좋은 것으로 알려져 있습니다. CHB 및 NPC와 같은 다중 레벨 토폴로지는 VSI 변형입니다.
- CSI(전류 소스 인버터): DC 링크에 대형 인덕터를 사용하여 일정한 DC 전류를 유지하는 성숙한 기술입니다. CSI 드라이브는 종종 GTO(Gate Turn-Off) 사이리스터나 인버터의 SGCT(Symmetric Gate Commutated Thyristor)와 같은 최신 장치를 사용합니다. 이 제품은 견고하며 매우 큰 전력 응용 분야나 동기식 모터에 자주 사용됩니다.
주요 산업 전반의 중요한 애플리케이션
MV VFD가 제공하는 견고성, 높은 전력 용량 및 정밀한 제어 기능은 여러 까다로운 분야에서 없어서는 안 될 요소입니다.
다음 표에는 일반적인 MV VFD 애플리케이션과 해당 애플리케이션이 제공하는 프로세스 제어 이점이 요약되어 있습니다.
| 산업 | 일반적인 응용 | 주요 운영상의 이점 |
| 석유 및 가스 | 압축기(왕복식 및 원심식), 펌프 | 정확한 유량 및 압력 조절, 소프트 스타트 및 에너지 효율성. |
| 광업 및 시멘트 | 파쇄기, 컨베이어, 밀(볼 및 새그) | 높은 시동 토크, 최적화된 분쇄/분쇄를 위한 속도 제어 및 기계적 응력 감소. |
| 유틸리티(물/폐수) | 하이 리프트 펌프, 송풍기 | 최적화된 유체 흐름 및 레벨 제어, 가변 토크 부하로 인한 상당한 에너지 절약. |
| 발전 | 보일러 공급 펌프, ID/FD 팬 | 보일러 효율 향상, 연소 제어 및 보조 전력 소비 감소. |
고조파 완화 및 전력 품질 고려 사항
MV VFD에 대한 중요한 기술적 고려 사항은 전력망 및 기타 연결된 장비에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 고조파 왜곡을 관리하는 것입니다. MV VFD 설계는 본질적으로 다중 펄스 및 다중 레벨 구성을 통해 이 문제를 해결합니다.
MV VFD의 입력 섹션은 일반적으로 위상 편이 변압기와 결합된 다중 펄스 다이오드 정류기(예: 18펄스 또는 24펄스)를 사용합니다. 펄스 수를 늘리면 유틸리티 라인에 다시 주입되는 저차 고조파의 크기가 최소화됩니다. 또한 일부 최신 드라이브는 수동 정류기를 능동 스위치(IGBT)로 대체하는 AFE(능동 프런트 엔드)를 사용합니다. AFE는 기본적으로 다음을 수행할 수 있는 두 번째 인버터입니다.
- 고조파 왜곡을 적극적으로 제어하고 제거하여 1에 가까운 입력 역률(1.0에 가까움)을 달성합니다.
- 모터의 운동 에너지가 전력선으로 다시 공급되는 회생 제동을 허용합니다. 이는 크레인 및 내리막 컨베이어와 같은 부하에 중요한 기능입니다.
MV VFD를 구현하려면 유틸리티 표준(예: IEEE 519)을 준수하고 시스템 안정성과 운영상의 이점을 극대화하기 위해 신중한 시스템 수준 설계 및 조정이 필요합니다.
