Niezawodne urządzenia do tłumienia harmonicznych w instalacji

Większość urządzeń elektrycznych umożliwiających zaoszczędzenie energii daje niestety „efekt uboczny” w postaci generowania do sieci zasilającej prądów odkształconych, o niesinusoidalnym kształcie. Prąd ten jest zniekształcony wskutek zawartości składowych wyższych harmonicznych, a zjawisko harmonicznych prądu staje się coraz poważniejszym problemem.

Harmoniczne – poważna przeszkoda

Składowe wyższych harmonicznych są produktem ubocznym większości nowoczesnych urządzeń energooszczędnych, ale też są generowane przez inne nieliniowe odbiorniki energii elektrycznej. Ich źródłem są przykładowo wszystkie przetwornice częstotliwości. Wyższe harmoniczne generowane do sieci przez różne urządzenia są powodem:

• wzrostu zużycia energii elektrycznej,
• wzrostu strat w systemie zasilania i dystrybucji energii,
• szybszego zużywania się komponentów instalacji,
• zjawisk rezonansowych w instalacji.

Aby móc określić udział wyższych harmonicznych w prądzie wejściowym, definiuje się współczynnik odkształcenia prądu THDi, który określa stosunek geometrycznej sumy wartości skutecznych wyższych harmonicznych do wartości skutecznej składowej podstawowej (wartość względną zawartości wyższych harmonicznych) w następujący sposób:

gdzie:

Ih – wartość skuteczna harmonicznej prądu rzędu h

I1 – wartość skuteczna podstawowej harmonicznej prądu

Prąd o odkształconym przebiegu wpływa na kształt fali napięcia zasilającego, prowadząc do jego zniekształcenia. Obecność wyższych harmonicznych w napięciu zasilającym obniża jakość energii elektrycznej dostarczanej do odbiorców, powodując pogorszenie warunków pracy wszystkich urządzeń podłączonych do wspólnej sieci zasilającej. Prowadzi to do:

• ograniczeń w optymalnym wykorzystaniu parametrów sieci zasilającej,
• przedwczesnego starzenia się urządzeń,
• niepoprawnej pracy urządzeń,
• wyższych strat mocy,
• przerw w produkcji,
• zwiększonego poziomu zakłóceń niskiej częstotliwości.

Tak więc harmoniczne powodują ograniczenie poziomu niezawodności, zwiększają czasy przestojów, wpływają na jakość pracy urządzeń, podwyższają koszty eksploatacji i prowadzą do zmniejszenia wydajności.

Ograniczenie poziomu zniekształcenia sieci elektrycznej

Nie ulega wątpliwości, że każda sieć zasilająca jest zniekształcona, różny jest jedynie stopień zniekształcenia. Standardy i normy określają maksymalne dozwolone wartości odkształceń napięcia, które w zależności od aplikacji mieszczą się w przedziale 5–10%. Nie jest możliwe całkowite wyeliminowanie składowych wyższych harmonicznych.

Redukcja poziomu harmonicznych prądu pochodzących z poszczególnych odbiorników nieliniowych prowadzi do zmniejszenia stopnia odkształcenia napięcia, określanego współczynnikiem THDu. Filtr aktywny Danfoss VLT – poza kompensacją harmonicznych generowanych przez pojedyncze odbiorniki energii – umożliwia jednoczesną kompensację grupy odbiorników, przez dołączenie go do szyn rozdzielni, do których podłączone są urządzenia będące przedmiotem kompensacji.

Skutki oddziaływania wyższych harmonicznych

Bezpośrednim skutkiem obecności wyższych harmonicznych prądu jest wzrost jego wartości skutecznej według zależności:

gdzie:

Irms – wartość skuteczna prądu wejściowego napędu

I1 – wartość skuteczna harmonicznej podstawowej (50 Hz), która w przypadku prostowników niesterowalnych jest prądem czynnym (cos ~1)

Przykładowo dla THDi = 90% wartość skuteczna prądu wejściowego wynosi 135% prądu podstawowej harmonicznej, a dla THDi = 45% (typowa wartość dla przetwornic Danfoss z dławikami DC) 110% prądu składowej podstawowej.

Obecność wyższych harmonicznych prądu generuje dodatkowe straty. Powstają one w przewodach kablowych oraz uzwojeniach dławików i transformatorów jako skutek wzrostu wartości skutecznej prądu. Podwyższona częstotliwość harmonicznych zwiększa straty dodatkowe na prądy wirowe w transformatorach, co obniża zdolność przesyłową transformatorów rozdzielczych oraz powoduje przedwczesne starzenie się izolacji.

Sposób działania – prosty i niezawodny

Filtr aktywny jest urządzeniem energoelektronicznym stosowanym do redukcji wyższych harmonicznych generowanych przez nieliniowy odbiornik. Analizuje widmo harmonicznych prądu obciążenia i generuje harmoniczne o tej samej amplitudzie, jaką mają harmoniczne zawarte w prądzie obciążenia, ale o przeciwnej fazie, powodując ich kompensację. Na skutek działania filtru prąd pobierany ze źródła zasilania ma bardzo niską zawartość harmonicznych.

VLT AAF jest strukturą równoległą w stosunku do przetwornicy i ma niezależny obwód napięcia stałego DC. Napięcie w obwodzie DC filtru musi być wyższe od chwilowych wartości napięcia zasilania, aby umożliwić przepływ prądu od obwodu DC filtru do sieci. Im wyższe „podbicie” napięcia, tym mniejszy wpływ odkształcenia napięcia sieci na jakość aktywnej filtracji.

Ze względu na wspomniane rozdzielenie obwodów DC filtru i przetwornicy można ustalić na wyższym poziomie wartość „podbicia” napięcia, bez obawy zwiększenia wartości przepięć na silniku i stromości narastania napięcia dU/dt. W filtrze VLT AAF wspomniane „podbicie” napięcia w obwodzie DC wynosi 22% w stosunku do wartości szczytowej napięcia sieciowego.

Filtry aktywne VLT AAF firmy Danfoss mogą więcej

Poza redukcją składowych wyższych harmonicznych filtry AAF mają także inne funkcje, do których należą:

• kompensacja mocy biernej,
• równoważenie prądów pobieranych przez poszczególne fazy,
• redukcja odkształceń napięcia powodujących migotanie światła.

Filtr aktywny AAF zapewnia jednakowe obciążenie trzech faz zasilania, optymalizację współczynnika mocy oraz redukcję migotania światła. W rezultacie osiąga się zoptymalizowany poziom zużycia energii elektrycznej, wyższą sprawność systemu oraz dużo lepsze warunki pracy. Z powodu krótkiego czasu reakcji, jakim charakteryzuje się filtr aktywny AAF, jest on w stanie kompensować bardzo szybkie zmiany mocy biernej, a tym samym zapobiegać uciążliwym, krótkotrwałym zmianom strumienia świetlnego oświetlenia roboczego, tzw. flickerom. 

Filtr pracuje z najniższą możliwą częstotliwością kluczowania, aby maksymalnie ograniczyć straty mocy w modułach IGBT. Wymaga to wyższego poziomu filtracji ze strony wbudowanego obwodu magnetycznego LCL. Część ciepła, jaka wydzieliłaby się na tranzystorach IGBT, została przeniesiona do bardziej wytrzymałego na wysoką temperaturę obwodu magnetycznego. Zapewnia to wysoką sprawność (szczególnie przy częściowym poziomie obciążenia) i poprawia jednocześnie wytrzymałość mechaniczną.

W celu dalszej redukcji zużycia energii elektrycznej może zostać zaprogramowany tryb uśpienia (sleep mode). Dzięki niemu filtr przechodzi w stan uśpienia, gdy jego praca nie jest w danym momencie wymagana. Mimo że filtr jest wyłączony i kompensacja wstrzymana, monitorowanie parametrów sieci wciąż się odbywa. Gdy zmienią się warunki i wymagane stanie się ponowne rozpoczęcie kompensacji, filtr opuści tryb uśpienia i natychmiast rozpocznie pracę.

Obecnie filtry aktywne VLT Danfoss pozwalają na wybór najlepszego rozwiązania dla danej aplikacji. Więcej informacji można znaleźć na stronie www.danfoss.pl, a także zapisując się na newsletter firmy, by być na bieżąco z nowościami. 

DANFOSS POLAND Sp. z o.o.
ul. Chrzanowska 5, 05-825 Grodzisk Mazowiecki
tel. 22 755 06 68 
e-mail: bok@danfoss.com
www.danfoss.pl

źródło: Automatyka 3/2019