Řešení redukce vyšších harmonických kmitočtů Jak jsme se již dozvěděli, používá společnost Danfoss stejnosměrné tlumivky jako standardní řešení ke zmírnění působení harmonických kmitočtů. Existují ale rovněž obvody a zařízení, která vyžadují vyšší míru potlačení harmonických kmitočtů. Pro tyto případy existují i jiná řešení k potlačení harmonického zkreslení, než požívá společnost Danfoss. Všechna tato řešení mají jak své výhody, tak i nevýhody. Musíte si prosím uvědomit, že neexistuje jednotné řešení, které by bylo vhodné pro všechny případy jak z hlediska ceny, tak i účinnosti. Každé zařízení je třeba vyhodnotit z hlediska příslušných potřeb a poté se rozhodnout, čeho chceme dosáhnout. Neexistuje žádné jednoduché řešení, které by bylo dokonale vhodné pro všechny aplikace a elektrorozvodné sítě. Na vyžádání je společnost Danfoss ochotna provést kompletní zjištění vyšších harmonických kmitočtů ve Vašem zařízení a navrhnout co možná nejlepší řešení z hlediska dosaženého výsledku a ceny.
Řešení redukce vyšších harmonických kmitočtů společností Danfoss Společnost Danfoss má k dispozici rozsáhlou škálu řešení problémů způsobených vyššími harmonickými kmitočty. V zásadě lze provést pasivní či aktivní opatření, jak je znázorněno na níže uvedeném obrázku:
Jako první vyvstane následující otázka: Proč se používají aktivní či pasivní způsoby řešení, jaký je jejich princip? V předchozí sekci nám bylo vysvětleno, co to jsou vyšší harmonické a jak se chovají. Krátce si to připomeneme: Vyšší harmonické kmitočty se vytvářejí v důsledku působení nelineárních spotřebičů (zátěží), přičemž výsledný časový průběh proudu či napětí je určen součtem všech celočíselnými násobků základního kmitočtu příslušného střídavého proudu a napětí sinusového tvaru. V našem případě se jedná o proud, který rovněž vytvoří svým průchodem systémem napětí na jeho impedanci. Uvědomte si prosím tyto skutečnosti:
Zkreslení průběhu proudu závisí na velikosti zátěže. Zkreslení průběhu napětí závisí na impedanci systému. Harmonické proudy protékající nelineárním spotřebičem a zkratová impedance systému jsou nezbytné pro výpočet zkreslení napěťového průběhu. NENÍ možné stanovit zkreslení napěťového průběhu, pokud známe pouze charakter zátěže. Zkreslení základního průběhu napětí závisí na komplexní impedanci systému. To samé platí pro zkreslení napětí na sekundárním vinutí transformátoru. Zkreslení základního průběhu může být v menší míře zaviněno elektrickými spotřebiči a je vždy v určité míře přítomno (0,5 – 3 %). Harmonické se mohou rovněž vztahovat k poměru kmitočtu příslušného proudu nebo napětí k základnímu kmitočtu tohoto proudu nebo napětí. Nechť f znamená hlavní či základní kmitočet střídavého proudu. Tento kmitočet je stanoven v hertzech (Hz). Pro průběh, jehož základní kmitočet má hodnotu f, bude činit kmitočet druhé harmonické 2 f, třetí harmonická bude mít hodnotu kmitočtu 3 f, atd. Nechť w znamená délku vlny průběhu napětí nebo proudu v příslušném médiu. Hodnota délky vlny druhé harmonické činí w/2, třetí harmonické w/3, atd. Průběhy s hodnotami kmitočtu 2 f, 4 f, 6 f, atd. se nazývají sudé harmonické; průběhy s hodnotami kmitočtu 3 f, 5 f, 7 f, atd. se nazývají liché harmonické. Víme také, že nelineární zátěž, v našem případě úsek usměrňovače, generuje pulzující proud a tím pádem rovněž zhoršuje účiník.
Pro zátěž, která vytváří vyšší harmonické, platí: pf = pfČINNÝ = cosф* = P/S pfČINNÝ = “koeficient činného výkonu (λ)”
Příklad pro pohon se stejnosměrnými tlumivkami
pfJALOVÝ = cosф = 0,98 pfČINNÝ = 0,92
To nás přivádí k níže uvedenému obrázku, kde můžeme vysvětlit způsob pasivního a aktivního řešení:
Srovnání různých způsobů zmírnění vlivu vyšších harmonických ukazuje, že nízké harmonické zkreslení je spojeno s nízkou energetickou účinností - výjimku představuje aktivní filtrace, se kterou se dosáhne poměrně dobré účinnosti.
Pokud hodláte použít pasivního řešení znázorněného na obrázku (střídavé/stejnosměrné tlumivky, pasivní filtry), potom bude stupeň zmírnění účinku vyšších harmonických záviset na šířce regulačního pásma. Uvědomte si prosím, že údaje v každé příručce se obvykle vztahují ke jmenovité rychlosti a zátěži, kdežto u Vás se jedná o pohon s regulací rychlosti. Z toho důvodu je třeba znát omezení příslušného řešení. Jako zásadní pravidlo platí, že pasivní řešení je levnější z hlediska poměru cena / výkon. Na druhé straně je ale výkon značně snížený, pokud je pásmo regulace široké. Aktivní řešení je nejlepší z hlediska výkonu, neboť ten zde nezávisí na regulační šířce pásma. Je tedy vhodné zdůraznit, že koeficient činného výkonu je lepší (kompenzovaný) u aktivního způsobu potlačení vyšších harmonických. Nyní provedeme vyhodnocení obou způsobů z hlediska poměru ceny a výkonu: Stejnosměrné a střídavé tlumivky: Rozhodující výhody stejnosměrných tlumivek: DC HARMONIC CURRENT Fund. 36.2 A THiD 42.5% RMS current 39.5 A
AC HARMONIC CURRENT Fund. 36.8 A THiD 43.8% RMS current 40.2 A
Standardní řešení v každém pohonu Danfoss Poskytuje mírné zlepšení parametrů Vyšší stupeň redukce efektivní hodnoty Praktické/jednoduché Cena je zahrnutá v měniči Menší hodnoty rušivých kmitočtů - menší ztráta než u střídavých tlumivek Stabilnější stejnosměrné napětí - delší životnost kondenzátoru Stabilnější stejnosměrné napětí - stabilnější řízení motoru Jsou potřeba pouze dvě tlumivky - menší mechanické rozměry
Střídavé tlumivky, jak je znázorněno na obrázku, mají nepatrně horší parametry ve srovnání se stejnosměrnými tlumivkami, avšak poskytují některé výhody: Diodová komutace nezávislá na elektrické síti Chrání pohon před výkyvy napájecího napětí Lepší redukce vyšších řádů harmonických Vestavěné tlumivky Danfoss jako standardní výbava
Všechny pohony Danfoss obsahují stejnosměrné tlumivky na snížení vlivu vyšších harmonických jako standardní řešení. Tím se sníží úroveň harmonických a udrží se nízká efektivní hodnota. Pro pohony bez opatření proti harmonickým kmitočtům musí být v některých případech vstupní kabel silnější než motorový kabel z důvodu vzrůstu efektivní hodnoty proudu. Usměrňovače s 12 a 18 impulzy:
Usměrňovače s 12 a 18 impulzy byly řadu let považovány za standardní řešení redukce harmonického zkreslení způsobeného měniči. Je třeba znát jednu důležitou skutečnost, a sice že měniče vybavené usměrňovači s 12 či 18 impulzy nesnižují harmonické, nýbrž že úroveň harmonických snižuje transformátor těchto vícepulzních usměrňovačů, který je umístěn před měničem kmitočtu. Teoreticky to znamená, že proudy 5. a 7. harmonické (u 18pulzního řešení ještě 11. a 13. harmonické) se vyruší v důsledku fázového posuvu transformátoru a účinkem dvou (nebo tří) diod v usměrňovači. Výhody více pulzních pohonů: Robustnost Osvědčená technologie - jednoduchost - zapojí se a pracuje Často vyžadovaný zákazníky Pohon je izolován od napájecí sítě Zdarma, pokud je nezbytný transformátor (s výjimkou krokové regulace a pohonů s velkým výkonem) Nedochází ke generaci vysokofrekvenčního šumu Autotransformátor představuje levnější řešení pro pohony >200 kW s 12-ti pulzním usměrňovačem Velikost THiD činí 12 % - 15 % pro ideální síť
60 12-pulse ideal 12-pulse @ THvD = 2% 1% unbalance 3% unbalance
50 40 30 20 10 0 0
20
40
60
80
100
12-ti pulzní měnič Danfoss, 250 kW
Moderní harmonické filtry Danfoss: Finančně výhodné komplexní řešení představuje systém Danfoss Advanced Harmonic Solutions (AHS), který slučuje spolehlivost a výkon měničů řady VLT® s inovační technologií filtrů řady AHF. Filtry Danfoss VLT® AHF jsou speciálně vyladěny pro pohony Danfoss VLT.
Zjednodušené blokové schéma filtru AHF
Výhody filtrů AHF: Navrženy pro optimalizaci výkonu měničů Danfoss VLT® Jednoduché uvedení do provozu; není třeba žádné nastavení Nevyžadují běžnou údržbu Ochrání několik měničů jedním filtrem Omezují proudové zkreslení na hodnoty stanovené směrnicí IEEE 519-1992 AHF 010 vykazuje THiD < 10 %; stejné nebo lepší parametry za cenu srovnatelnou s 12pulzními usměrňovači AHF 005 vykazuje THiD < 5 %; stejné nebo lepší parametry za cenu srovnatelnou s 18pulzními usměrňovači
Moderní aktivní filtr Danfoss, AAF 006: Moderní aktivní filtr Danfoss AAF (advanced active filter) představuje stupeň aktivního řešení, kde kromě redukce harmonických aktivní filtry VLT® Danfoss rovněž: Dynamicky kompenzuje změny reaktance Vyrovnává zatížení jednotlivých fází Snižuje tzv. flicker efekt (blikání v síti) Tlumí rezonance v elektrické síti Moderní harmonické filtry Danfoss
Aktivní filtr VLT® Danfoss zajistí, aby všechny tři fáze byly rovnoměrně zatíženy, takže dojde k optimalizaci účiníku a sníží se flicker efekt. Výsledkem je optimální využití energie, vyšší účinnost systému a lepší pracovní prostředí. Kvůli krátké době odezvy obsahuje aktivní filtr VLT® tři proudové transformátory, které nepřetržitě sledují parametry ve všech 3 fázích elektrorozvodné sítě a dodávají příslušné informace do AAF. AAF působí jako rezonanční tlumicí obvod a tím snižuje výkyvy napětí a tím i výpadky v síti. Filtr pracuje s co možná nejnižším spínacím kmitočtem, aby se snížily spínací ztráty v IGBT (bipolární tranzistory s izolovaným hradlem). To vyžaduje vyšší úroveň filtrace, která je zajištěna vestavěným magnetickým obvodem LCL, takže teplo se přesouvá z jednotek IGBT do tepelně odolnějšího magnetického obvodu. Tím je zajištěna vysoká energetická účinnost, zvláště při částečném zatížení, a zlepšuje se teplotní odolnost. Aby se ještě dále snížila spotřeba elektrické energie, lze naprogramovat funkci klidového režimu, která uvede filtr do klidového stavu, pokud není třeba provádět redukci harmonických. Kompenzace je přitom vypnuta, ale řídicí jednotka je stále zapojena a provádí měření parametrů sítě. Kdykoliv dojde ke změně poměrů, která vyžaduje kompenzaci, přejde filtr téměř okamžitě z klidového režimu do plné kompenzační funkce. Centrální kompenzace Filtr se zapojí paralelně do místa společné vazby, aniž by přitom došlo k narušení Vaší stávající instalace, a celý systém bude centrálně kompenzován. Individuální kompenzace Společnost Danfoss nabízí jedinečnou řadu měničů s nízkou úrovní harmonických kmitočtů díky vestavěným filtrům AAF pro kompenzaci vlivů individuálních spotřebičů. Proudové transformátory jsou zabudovány v zařízení. Skupinová kompenzace Vybraná skupina spotřebičů může být kompenzována společně. AAF se automaticky nastaví na zátěž a nezávisí na stabilitě napájení.
Jak systém funguje – jednoduše a spolehlivě Aktivní filtr funguje analogicky jako sluchátka s filtrem pro potlačení hluku, šumu a jiných rušivých zvuků. Pomocí vnějšího proudového transformátoru monitoruje aktivní filtr napájecí proud včetně jeho zkreslení. Z tohoto signálu odvodí řídicí systém požadovanou kompenzaci a vytvoří spínací posloupnost pro spínací IGBT. Tím se ve filtru vytvoří vodivá cesta s malou impedancí a harmonické proudy protékají filtrem místo toho, aby pokračovaly směrem do napájecího zdroje. Potlačením se téměř úplně eliminuje proudové zkreslení, rovněž napěťové zkreslení transformátoru nebo generátoru již nečiní problémy. Filtr provádí nepřetržitě aktuální vyhodnocení a potlačení vyšších harmonických, takže vteřinové či denní změny zatížení zařízení nepředstavují pro filtr žádný problém.
Zjednodušené schéma principu funkce AAF
V řadě nových produktů na trhu měničů kmitočtu je společnost Danfoss opět o jeden krok vpředu, a sice se svým systémem pohonů Low Harmonic Drive (LHD). Systém Danfoss Low Harmonic Drive představuje kombinaci aktivního filtru a standardního měniče na střídavý proud. Tento systém byl navržen s nejmenším počtem součástek v hlavním proudovém okruhu. Podívejte se prosím tedy, že AAF a LHD, který je pouze součástí AAF, jsou zapojeny paralelně k hlavnímu proudovému obvodu. Toto je rozhodující pro zvýšení účinnosti, neboť nedochází ke spínání celého proudu odebíraného spotřebičem, nýbrž jen ke spínání zajišťujícímu nezbytný průběh proudu pro potlačení vyšších harmonických, zlepšení účiníku či vyrovnání proudu v jednotlivých fázích. Výhody systému Low Harmonic Drive: Snadno se definuje a instaluje Nejvyšší možná účinnost (automaticky nastavitelný spínací kmitočet snižuje spínací ztráty) Kompletní chlazení zadním kanálem – nezanáší se vnitřní elektronika měniče Monitorování parametrů napájecí sítě pomocí LCP (ovládacího panelu jednotky) Nejvyšší míra potlačení i u lichých harmonických kmitočtů Nejvyšší imunita vůči změnám v elektrické síti Zkreslení není závislé na zátěži Měnič funguje i při výpadku filtru Měnič nevyžaduje přídavné stejnosměrné napětí Pokud není třeba potlačovat harmonické, může systém být v klidovém režimu Soulad dU/dt s normou EN 60034-17 Koeficient činného výkonu > 0,98 Soulad s normami IEEE (i u lichých harmonických kmitočtů)
Proud odebíraný pohonem vykazuje nízký podíl harmonických kmitočtů
Proč jsme tak dobří a rychlí při potlačování harmonických kmitočtů? Řídicí signály pro IGBT přicházejí přímo z proudového regulátoru a tím jsme schopni reagovat na změny v elektrorozvodné síti v čase rovnajícím se polovině doby trvání periody. Existují dvě hlavní spínací technologie Řízení odvozené z napětí Přímé řízení Řízení odvozené z napětí: Je rovněž známé pod názvem PWM- pulzně šířková modulace (HW nebo SW) Všichni konkurenční výrobci AAF používají PWM (většinou SW) Existují ovšem i odlišné varianty, známé z pohonů. Výhoda: Přesnost, nízké THiD50th a vysoký stupeň korekce určitých harmonických kmitočtů Přímé řízení: Řídicí signály pro IGBT přicházejí přímo z proudového regulátoru Podobnost s DTC (na straně pohonu) Výhody: Rychlejší a odolnější vůči rychlým změnám v systému (harmonické, flicker efekt, impedance sítě) Typické příklady aplikací vyžadujících vyhodnocení zatížení vyššími harmonickými
Společnost Danfoss je ochotna Vám pomoci ve výběru správného řešení pro Vaše zařízení. Pokud máte nějaké další dotazy, neváhejte a kontaktujte nás. Jsme tady proto, abychom Vám POMOHLI!
3. Otázka: ® Pro jaké účely se používají aktivní filtry Danfoss VLT AAF 006? a) Snížení harmonických kmitočtů, jalového výkonu a vyrovnání proudů ve všech 3 fázích b) Dosažení stabilního stejnosměrného napětí c) Ke snížení efektivní hodnoty Odpověď prosím zašlete na e-mail marketingu:
[email protected].
