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Mittelspannungs-Frequenzumrichter (MV VFD)

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MV-Frequenzumrichter

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Ein Mittelspannungs-Wechselstromantrieb (MV-AC-Antrieb), auch als Mittelspannungs-Frequenzumrichter (MV-VFD) oder Mittelspannungs-Drehzahlregler bezeichnet, ist ein leistungselektronisches Gerät, das zur Regelung von Drehzahl, Drehmoment und Leistungsaufnahme von Mittelspannungs-Wechselstrommotoren durch Variieren der Ausgangsspannung und -frequenz dient. Er wird häufig für große Motoren in Industrie- und Versorgungsanwendungen eingesetzt.

1. Typische Nennwerte
·Spannungsklasse: 2,3 kV, 3,3 kV, 4,16 kV, 6,6 kV, 10 kV, 11 kV, 13,8 kV
·Leistungsbereich: Hunderte von kW bis zu Dutzenden/Hunderten von MW
·Ausgangsfrequenz: 0–50/60 Hz (bei speziellen Anwendungen üblicherweise höher)
·Motortypen: Asynchronmotor, Synchronmotor, Permanentmagnetmotor
·Kühlung: Luftgekühlt oder flüssigkeitsgekühlt

Moderne Mittelspannungsantriebe sind je nach Anwendung von mehreren hundert kW bis über 100 MW erhältlich.

2. Hauptkomponenten

1) Eingangsübertrager
·Wandelt die eingehende Mittelspannungsversorgung ab.
·Sorgt für elektrische Trennung.
·Verwendet häufig mehrere Sekundärwicklungen für einen harmonischenarmen Betrieb.

2) Gleichrichter-/Umrichterteil
·Wandelt die eingehende Wechselspannung in Gleichspannung um.
·Kann Dioden-, Thyristor- oder Active-Front-End-Technologie (AFE) nutzen.

3) Zwischenkreis
·Speichert und glättet die Gleichstromenergie.
·Enthält Kondensatoren und Filterkomponenten.

4) Wechselrichterteil
·Wandelt Gleichstrom wieder in Wechselstrom mit variabler Frequenz um.
Verwendet Leistungshalbleiterbauelemente wie:
·IGBT
·IGCT
·SiC-Bauelemente (neuere Ausführungen)

5) Steuerungssystem
Steuert:
·Motordrehzahl
·Drehmoment
·Beschleunigung/Verzögerung
·Schutzfunktionen
·Kommunikation mit SPS-/DCS-Systemen

3. Gängige Topologien für Mittelspannungsantriebe

A.) Kaskadierte H-Brücke (CHB)
·Gängigste Topologie für Mittelspannungsantriebe.
·Verwendet mehrere in Reihe geschaltete Niederspannungs-Leistungszellen.
Vorteile:
·Geringe Oberschwingungsverzerrung
·Gute Qualität der Motorwellenform
·Hohe Zuverlässigkeit

B.) Dreistufiger NPC (Neutral Point Clamped)
·Verwendet die Mehrpegel-Wechselrichtertechnologie.
·Geeignet für Hochleistungsanwendungen.

C.) Flying-Capacitor-Umrichter
·Verwendet mehrere Kondensator-Spannungspegel.
·Bietet eine gute Wellenformqualität, erfordert jedoch eine komplexere Regelung.

4. Vorteile von Mittelspannungs-Frequenzumrichtern

Energieeinsparung
Besonders effektiv bei:
·Pumpen
·Ventilatoren
·Kompressoren
·Die Drehzahlregelung vermeidet Energieverluste durch Drosselventile oder Klappen.

Sanftanlauf
·Reduziert den Anlaufstrom des Motors.
·Minimiert die mechanische Belastung.
·Reduziert die Belastung des Stromnetzes.

Prozesssteuerung
Ermöglicht eine präzise Regelung von:
·Durchfluss
·Druck
·Drehzahl
·Produktionsrate

Geringerer Wartungsaufwand
·Geringerer mechanischer Verschleiß.
·Geringere thermische Belastung der Motoren.

5. Typische Anwendungsbereiche
·Energieerzeugung: Kesselspeisepumpen, ID-Ventilatoren, FD-Ventilatoren
·Öl und Gas: Kompressoren, Pumpen, ESP-Systeme
·Bergbau: Brecher, Förderbänder, Mühlen
·Zement: Ofenantriebe, Ventilatoren, Mahlwerke
·Wasseraufbereitung: Großpumpen, Gebläse
·Schifffahrt: Antriebssysteme
·Metallindustrie: Walzwerke, Prozessanlagen

6. Schutzfunktionen

Typische Mittelspannungs-Frequenzumrichter verfügen über:
·Überstromschutz
·Überspannungsschutz
·Unterspannungsschutz
·Erdschlussschutz
·Motorüberlastschutz
·Thermischer Halbleiterschutz
·Schutz bei Phasenausfall an Ein- und Ausgang
·Zellenbypass (bei CHB-Ausführungen)

7. Wichtige Hersteller

Beispiele sind:
ABB — ACS580MV und andere Mittelspannungs-Antriebsplattformen
Siemens – SINAMICS-Mittelspannungsantriebssysteme
GE Vernova – MV6-Mittelspannungsantriebe
Schneider Electric – Mittelspannungs-Motorsteuerungslösungen

In einem Stromversorgungssystem ist ein Mittelspannungs-Wechselstromantrieb im Wesentlichen ein leistungsstarker elektronischer Drehzahlregler, der den effizienten, gleichmäßigen und präzise gesteuerten Betrieb großer Mittelspannungsmotoren ermöglicht.