Niezawodne urządzenia do tłumienia harmonicznych w Twojej instalacji

rzewiduje się, że w przeciągu najbliższych 20 lat zapotrzebowanie na energię elektryczną w skali całego świata wzrośnie o 25%. Przyczyną takiego stanu rzeczy jest spodziewany wzrost standardu życia mieszkańców w krajach rozwijających się. Sprostanie temu gwałtownemu wzrostowi, będzie niewątpliwie wymagać zwiększenia produkcji energii elektrycznej. Z uwagi na postępujące zmiany klimatyczne, większość nowo wytwarzanej energii musi pochodzić ze źródeł odnawialnych. Jednocześnie należy przykładać dużo większą uwagę do kwestii oszczędzania. Niestety większość urządzeń elektrycznych umożliwiających zaoszczędzenie energii posiada „efekt uboczny" w postaci generacji do sieci zasilającej prądów odkształconych, o niesinusoidalnym kształcie. Prąd ten jest zniekształcony wskutek zawartości składowych wyższych harmonicznych. 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. Przykładowo wszystkie przetwornice częstotliwości są ich źródłem. 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:

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

Mówiąc krótko, harmoniczne powodują ograniczenie poziomu niezawodności, zwiększają czasy przestojów, wpływają na jakość pracy urządzeń powiększają koszty eksploatacji i prowadzą do zmniejszenia wydajności.

Przebieg czasowy prądu wejściowego przetwornicy z prostownikiem 6-pulsowym oraz widmo harmonicznych

Ograniczenie poziomu zniekształcenia sieci elektrycznej
Możesz być pewien, że Twoja sieć zasilająca jest także zanieczyszczona. Istotną kwestią jest tylko stopień tego zniekształcenia. Standardy i normy narzucają 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 oddziaływania harmonicznych prądu pochodzących od poszczególnych odbiorników nieliniowych prowadzi do zmniejszenia stopnia odkształcenia napięcia, określanego współczynnikiem THDu. Poza kompensacją harmonicznych generowanych przez pojedyncze odbiorniki energii, filtr aktywny Danfoss VLT® daje także możliwość jednoczesnej kompensacji grupy odbiorników, poprzez 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 wg zależności:

I_rms = I_1 * sqrt(1+THD_i^2)

gdzie:
I_rms - wartość skuteczna prądu wejściowego napędu
I_1 - wartość skuteczna harmonicznej podstawowej (50Hz), która w przypadku prostowników niesterowalnych jest prądem czynnym (cosφ~1)

Przykładowo dla THDi=90% wartość skuteczna prądu wejściowego wynosi 135% prądu podstawowej harmonicznej, 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, 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

Sposób włączania filtru aktywnego

Filtr aktywny jest urządzeniem energoelektronicznym stosowanym do redukcji wyższych harmonicznych generowanych przez nieliniowy odbiornik. Filtr aktywny 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 posiada 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, możemy wartość „podbicia" napięcia ustalić na wyższym poziomie bez obawy zwiększenia wartość 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

Właśnie dlatego filtry aktywne VLT® AAF firmy Danfoss mogą więcej

Zaawansowany filtr aktywny VLT AAF firmy Danfoss

Poza redukcją składowych wyższych harmonicznych filtry AAF posiadają także szereg innych funkcji:

• 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 flicker'om. 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 wysokie temperatury obwodu magnetycznego. Zapewnia to wysoką sprawność, szczególnie przy częściowym poziomie obciążenia i poprawia jednocześnie wytrzymałość mechaniczną. W celu dalszej redukcji zużycia energii elektrycznej, moze zostać zaprogramowany tryb uśpienia (ang. 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, to jednak monitorowanie parametrów sieci odbywa się nadal. Gdy tylko zmienią się warunki i wymagane stanie się ponowne rozpoczęcie kompensacji, wówczas filtr opuści tryb uśpienia i rozpocznie natychmiastową pracę.

1. Przebieg czasowy odkształconego prądu generatora 1000kVA oraz poziomy wyższych harmonicznych (do 15 rzędu). Filtr aktywny AAF wyłączony. 
2. Przebieg czasowy odkształconego prądu generatora 1000kVA oraz poziomy wyższych harmonicznych (do 15 rzędu). Filtr aktywny AAF załączony.

Obecnie filtry aktywne VLT® Danfoss dają możliwość wyboru najlepszego rozwiązania w kontekście danej aplikacji. Chcesz wiedzieć więcej, wejdź na naszą stronę www.danfoss.pl lub zarejestruj się w newsletterze, by być na bieżąco z nowościami.