産業効率とプロセス制御における中電圧 VFD の重要な役割
中電圧可変周波数ドライブ (MV VFD) は、通常 1 kV ～ 15 kV の範囲の電圧で動作する AC モーターの回転速度、トルク、方向を制御するために使用される必須のパワー エレクトロニクス デバイスです。低電圧 VFD とは異なり、MV ドライブは、多くの場合数百キロワットから 100 メガワットを超える、非常に高い電力要件を処理するため、大規模な産業用途や公益用途において重要なコンポーネントとなっています。
MV VFD を導入する主な利点は、特にポンプやファンなどの可変トルク アプリケーションにおいて、モーター速度を必要な負荷に正確に一致させることで大幅なエネルギー節約が達成されることです。さらに、優れたプロセス制御を提供し、モーター始動時の機械的ストレスを軽減し、力率補正や高調波緩和などの貴重な電力品質機能を提供します。
MV VFD の高度なトポロジーとアーキテクチャ設計
MV VFD の内部アーキテクチャは、高電圧を処理し、高調波歪みを軽減する必要があるため、低電圧の VFD に比べて著しく多様かつ複雑になっています。 MV ドライブは一般に 3 段階の設計を採用しています。AC を DC に変換するコンバーター (整流器)、エネルギーの貯蔵と平滑化のための DC リンク、DC をモーター用の可変周波数 AC 電力に変換するインバーターです。
出力品質を向上させるマルチレベル インバータ トポロジ
より正弦波の「モーターに優しい」出力波形を生成し、モーターの絶縁を損傷する可能性がある電圧上昇時間 ( ) を制限するために、MV VFD は通常、マルチレベル インバーター トポロジを利用します。これらの設計では、低電圧ドライブで一般的な 2 つのステップ (レベル) ではなく、複数のステップ (レベル) で AC 出力電圧を合成します。 2 つの著名なマルチレベル トポロジには次のものがあります。
- カスケード H ブリッジ (CHB): この一般的な電圧源トポロジでは、相ごとに複数の直列接続された低電圧 H ブリッジ セルが使用されます。各セルには独自の入力整流器があり、結合された出力により高品質のマルチステップ波形が得られます。 CHB は多くの場合、複雑な多巻線位相シフト入力トランスを必要とし、通常はドライブ パッケージに統合されます。
- 中性点クランプ (NPC): 3 レベル NPC トポロジは十分に確立されており、ダイオードまたはアクティブ スイッチを利用して出力電圧を中性点にクランプし、3 つの電圧レベルを作成します。コンパクトな設計で、最大約 4.16 kV の電圧に適しています。アクティブ中性点クランプ (ANPC) やより高いレベルの NPC などの高度なバリアントも使用されます。
電流源インバータ (CSI) と電圧源インバータ (VSI) のアーキテクチャ
MV VFD は、DC リンク コンポーネントに基づいて大まかに分類することもできます。
- 電圧源インバータ (VSI): これは、より現代的で広く使用されているアプローチで、DC リンクにコンデンサを使用して一定の DC 電圧を保存および調整します。 VSI ドライブはインバーター セクションに IGBT を使用しており、優れた動的パフォーマンスで知られています。 CHB や NPC などのマルチレベル トポロジは VSI のバリアントです。
- 電流源インバータ (CSI): DC リンクで大きなインダクタを使用して一定の DC 電流を維持する成熟したテクノロジー。 CSI ドライブでは、多くの場合、ゲート ターンオフ (GTO) サイリスタ、またはインバータ内の SGCT (対称ゲート整流サイリスタ) などのより最新のデバイスが使用されます。これらは堅牢であり、非常に大電力のアプリケーションや同期モーターで頻繁に使用されます。
主要産業全体にわたる重要なアプリケーション
MV VFD は堅牢性、高出力容量、正確な制御を備えているため、要求の厳しいいくつかの分野で不可欠なものとなっています。
次の表は、一般的な MV VFD アプリケーションと、それがもたらすプロセス制御の利点をまとめたものです。
| 産業 | 代表的な用途 | 主な運用上の利点 |
| 石油とガス | コンプレッサー（往復式および遠心式）、ポンプ | 流量と圧力の正確な調整、ソフトスタート、エネルギー効率。 |
| 鉱業とセメント | 粉砕機、コンベヤ、ミル（ボールおよびサグ） | 高い始動トルク、最適な破砕/粉砕のための速度制御、機械的ストレスの軽減。 |
| 公共事業（上水・廃水） | 高揚程ポンプ、ブロワ | 最適化された流体の流れとレベル制御、可変トルク負荷による大幅なエネルギー節約。 |
| 発電 | ボイラー給水ポンプ、ID/FDファン | ボイラー効率の向上、燃焼制御、補助電力消費量の削減。 |
高調波の緩和と電力品質に関する考慮事項
MV VFD の技術的に重要な考慮事項は、電力網やその他の接続機器に悪影響を与える可能性がある高調波歪みを管理することです。 MV VFD 設計は、マルチパルスおよびマルチレベル構成を通じて本質的にこれに対処します。
MV VFD の入力セクションは通常、移相変圧器と結合されたマルチパルス ダイオード整流器 (たとえば、18 パルスまたは 24 パルス) を利用します。パルス数を増やすと、ユーティリティラインに注入される低次高調波の大きさが最小限に抑えられます。さらに、最新のドライブの中には、パッシブ整流器をアクティブ スイッチ (IGBT) に置き換えるアクティブ フロント エンド (AFE) を採用しているものもあります。 AFE は本質的に、次のことができる 2 番目のインバーターです。
- 高調波歪みを積極的に制御して除去し、ほぼ単一の入力力率 (1.0 に近い) を実現します。
- モーターからの運動エネルギーが電力線にフィードバックされる回生ブレーキが可能です。これは、クレーンやダウンヒルコンベアなどの負荷にとって重要な機能です。
MV VFD の実装には、公共規格 (IEEE 519 など) への準拠を確保し、システムの信頼性と運用上の利点を最大化するために、慎重なシステム レベルの設計と調整が必要です。
