Napęd zintegrowany z filtrem aktywnym oraz filtry AAF w napędach VLT firmy Danfoss

VLT LOW HARMONIC DRIVE (LHD) - PRZETWORNICA ZINTEGROWANA Z FILTREM AKTYWNYM

Omawiany napęd, VLT Low Harmonic Drive, integruje standardową przetwornicę częstotliwości z filtrem aktywnym. Składa się on z następujących elementów (patrz rys. 1):

• standardowej przetwornicy częstotliwości VLT Danfoss,
• filtru aktywnego AAF,
• obwodu magnetycznego (filtr L-C-L oraz indukcyjność Lac).

Rys. 1. Schemat ideowy napędu VLT Low Harmonic Drive

VLT Low Harmonic Drive jest korzystnym rozwiązaniem:

• gdy w grę wchodzi spełnienie wymagań najostrzejszych norm i standardów odnośnie do emisji harmonicznych (IEEE519 dla Isc/IL>20, EN61000-3-4, EN61000-3-12),
• dla instalacji zasilanych z generatora,
• dla sieci „miękkich” o dużej wartości impedancji zwarcia.

Produkowany jest on w zakresach mocy od 132kW do 710kW. LHD ogranicza poziom odkształcenia prądu THDi pobieranego z sieci do wartości poniżej 5%. Aktywna filtracja jest realizowana w zakresie do 25. harmonicznej. Pod względem skuteczności redukcji harmonicznych LHD jest porównywalny z napędami realizowanymi w układzie AFE (Active-Front-End, gdzie na wejściu znajduje się układ falownika w miejsce pasywnego prostownika).

SKUTECZNOŚĆ NAPĘDU LHD

Rys. 2. Skuteczność redukcji harmonicznych przez napęd LHD; próby przeprowadzono odpowiednio przy wyłączonym i załączonym filtrze aktywnym wchodzącym w skład napędu LHD; zastane odkształcenie napięcia sieci wynosiło THuD=1,2%

W przedstawionym na rys. 2 przykładzie współczynnik odkształcenia prądu zmalał z 28,7% do 2,1%, czyli o około 90%. Wartość skuteczna prądu pobieranego przez napęd IRMS zmalała o kilka procent ze względu na redukcję harmonicznych. Niska wartość współczynnika odkształcenia THDi prądu pobieranego z sieci (około 2,1%) świadczy o skuteczności działania napędu LHD.

FILTRY AKTYWNE AAF FIRMY DANFOSS

Filtry aktywne AAF wytwarzane przez Danfoss pozwalają na:

• redukcję niepożądanych harmonicznych,
• kompensację mocy biernej,
• równoważenie prądów pobieranych przez poszczególne fazy odbiorników niesymetrycznych

O ile filtry znajdujące się w ofercie innych producentów realizują jedynie niektóre z powyższych zadań, urządzenia aktywne AAF mają wszystkie powyższe cechy w standardowym wykonaniu.

Rys. 3. Zasada działania filtru aktywnego

Danfoss produkuje 5 wielkości filtrów aktywnych w zakresie prądów nominalnych od 190 do 500A. Większe wartości prądów uzyskujemy poprzez równoległe połączenie do 4 jednostek podstawowych (konfiguracja master-slave). Filtr aktywny AAF jest instalowany równolegle do nieliniowego obciążenia. W celu kompensacji wybranej harmonicznej lub grupy harmonicznych filtr mierzy wielkość odkształcenia za pomocą przekładników prądowych i generuje składowe prądu o odpowiedniej amplitudzie w przeciwfazie do wybranej harmonicznej lub grupy harmonicznych, które są celem kompensacji.

PRIORYTETY I TRYBY PRACY FILTRU AAF

Wydajność prądowa filtru aktywnego AAF Danfoss może być przeznaczona do kompensacji wyższych harmonicznych odbiornika nieliniowego lub do kompensacji mocy biernej przesunięcia fazowego częstotliwości podstawowej. Dlatego też filtr AAF może pracować w jednym z dwóch priorytetów:

• priorytet kompensacji harmonicznych - cała wydajność prądowa filtru dedykowana jest w pierwszej kolejności do kompensacji wyższych harmonicznych; priorytet kompensacji harmonicznych jest domyślnym trybem pracy filtrów AAF Danfoss; dostępne są dwa tryby pracy - selektywna i szerokopasmowa;
• priorytet kompensacji mocy biernej - cała wydajność prądowa filtru jest dedykowana w pierwszej kolejności do kompensacji mocy biernej (przesunięcia fazowego). Kompensacja selektywna redukuje harmoniczne do 25. rzędu. Ten tryb pracy filtru wykorzystywany jest wówczas, gdy chcemy wyeliminować z widma prądu określone wyższe harmoniczne, które mogą być przyczyną szczególnych zakłóceń w sieci zasilającej (np. problemy rezonansowe).

Rys. 4. Skuteczność redukcji wyższych harmonicznych przez aktywny filtr AAF; próby przeprowadzono dla przetwornicy 6-pulsowej zasilanej z transformatora 1MW, silnik 200kW/400V

W trybie kompensacji szerokopasmowej kompensowane są wszystkie wyższe harmoniczne do 40. rzędu (bez składowej podstawowej), tak aby uzyskać założoną wielkość współczynnika odkształcenia prądu THDi. Tryb taki rekomendowany jest gdy:

• napięcie sieci nie jest idealnie zrównoważone,
• istnieją harmoniczne niecharakterystyczne dla przetwornic częstotliwości,
• kompensujemy odbiorniki niesymetryczne.

Tryb kompensacji szerokopasmowej jest stosowany w ponad 90% aplikacji. Jest to nastawa domyślna filtrów AAF.

Filtry AAF Danfoss, chociaż dedykowane są do kompensacji odkształceń prądu generowanych przez przetwornice częstotliwości (w trybie kompensacji indywidualnej oddziałują na częstotliwości harmoniczne charakterystyczne dla napędów), mogą również pracować w układach kompensacji indywidualnej, grupowej lub centralnej, kompensując moc bierną podstawowej harmonicznej lub moc odkształcenia generowaną przez odbiorniki nieliniowe.

SKUTECZNOŚĆ FILTRU AAF

Na skutek działania filtru współczynnik odkształcenia prądu THDi zmalał z 38,6% do 5,3%, czyli o około 85%. Wartość skuteczna prądu pobieranego przez napęd IRMS zmalała o kilka % ze względu na redukcję harmonicznych. Niska wartość współczynnika odkształcenia THDi prądu pobieranego z transformatora (około 5,3%) świadczy o skuteczności działania filtru AAF.

POZOSTAŁE CECHY FILTRÓW AAF I NAPĘDÓW LHD ZWIĘKSZAJĄCE ICH NIEZAWODNOŚĆ I UŁATWIAJĄCE EKSPLOATACJĘ:

• wykorzystanie do budowy modułów mocy i kart sterujących, które zostały przetestowane w przetwornicach częstotliwości VLT Danfoss, co zwiększa niezawodność pracy,
• wykorzystanie w budowie filtra aktywnego tych samych komponentów, które są stosowane w seryjnie produkowanych przetwornicach częstotliwości - ułatwia to jego serwisowanie i zmniejsza koszty magazynowania części zamiennych,
• modułowa koncepcja budowy oraz szeroka oferta opcji dodatkowych,
• duża odporność na zastane odkształcenie napięcia zasilającego i na niezrównoważenie napięć w sieci,
• dedykowany tylny kanał chłodzący, w którym jest rozpraszanych 85% strat, gwarantuje wysoką bezawaryjność w trudnych warunkach środowiskowych,
• karty elektroniki pokryte lakierem zwiększają znacząco bezawaryjną pracę,
• graficzny wyświetlacz - ułatwienie obsługi,
• nieskomplikowane uruchomienie i łatwa eksploatacja.

mgr inż. Andrzej Wnuk
Inżynier Doradztwa Aplikacyjnego

Danfoss Napędy Elektryczne VLT