Przekształtniki częstotliwości średniego napięcia - porównanie technologii napięciowej i prądowej

W literaturze polskojęzycznej panuje mało obiektywny pogląd, mówiący o tym, że technologia prądowa jest najbardziej "przyjazną" dla silników. Dla odmiany w literaturze anglojęzycznej bez problemu odnaleźć można informacje, które zaprzeczają wyżej postawionej tezie. Jak to faktycznie wygląda w praktyce? Przedstawiamy porównanie zalet oraz wad przekształtników średniego napięcia prądowych oraz napięciowych.

PREZENTACJA TECHNOLOGII

Rys. 1. Schemat przekształtnika źródła prądowego z zasilaniem w układzie AFE

Pierwszą rozpatrywaną technologią będzie technologia prądowa. Najczęściej wykorzystywanymi podzespołami elektroniki mocy w prostownikach są odmiany tyrystorów GCT takie jak IGCT lub SGCT. Dzięki ich zastosowaniu prostowniki mogą być zbudowane w układzie mostka aktywnego, czyli w tzw. układzie AFE (Active Front End).

W sekcji DC jako element magazynujący energię wykorzystywane są elementy indukcyjne (cewki), które łagodzą również pulsację prądu. Sekcja falownika zbudowana jest na bazie elektronicznych komponentów przełączających: tranzystorów GTO lub SGCT. Za ich pomocą tworzona jest modulacja PWM, dzięki której można regulować częstotliwość wyjściową (rys. 1).

Przekształtnik prądowy wymaga zastosowania filtrów wejściowych i wyjściowych z powodu dużego udziału zniekształceń harmonicznych generowanych przez elementy tyrystorowe. Harmoniczne te wpływają negatywnie na współczynnik mocy (lambda) oraz zgodność z normą IEE519-1992. Zniekształcenia harmoniczne na poziomie poniżej 5% możliwe są do osiągnięcia jedynie przy użyciu mostków aktywnych, lecz te znacznie obniżają sprawność całego urządzenia.

Rys. 2. Schemat przekształtnika źródła napięciowego w technologii wielopoziomowej

W przypadku zastosowania standardowych prostowników poziom zniekształceń harmonicznych prądu THDi (Total Harmonic Distortion) może sięgać nawet 30%, co w przypadku przekształtników dużych mocy może skutkować zakłócaniem pracy innych urządzeń. Niemniej jednak technologia mostka aktywnego daje możliwość rekuperacji energii do sieci, co sprawdza się w przypadku aplikacji, gdzie wymagane jest częste bądź długotrwałe hamowanie (np. przenośnik pochylony w dół, dźwigi, itp.).

Kolejną technologią wykorzystywaną w budowie przekształtników średniego napięcia jest ta napięciowa znana w wykonaniach: dwupoziomowych, trzypoziomowych, pięciopoziomowych oraz wielopoziomowych. W niniejszym artykule rozpatrzone zostaną cechy przekształtnika źródła napięciowego w tej ostatniej, czyli tzw. multilevel, na przykładzie rodziny przekształtników ATV1200 firmy Schneider Electric.

Omawiana technologia pozwala na modułową budowę systemu, który składa się z kilku komórek mocy przypadających na jedną fazę (rys. 2). Urządzenia pozwalają na osiągnięcie aż do 19 poziomów napięcia wyjściowego. Konstrukcja zintegrowana jest z transformatorem o wielu uzwojeniach wtórnych, który zasila komórki mocy, oraz, dzięki przesunięciom pomiędzy uzwojeniami, pozwala na obniżenie zniekształceń harmonicznych przy zachowaniu bardzo wysokiej sprawności. Każda z komórek działa na zasadzie dwupoziomowego przekształtnika AC-DC-AC, wykorzystując diody w sekcji prostownika, kondensatory w sekcji DC magazynujące energię i filtrujące napięcie oraz niskonapięciowe tranzystory IGBT w sekcji falownika.

Rys. 3. Przebiegi wejściowe przekształtnika ATV1200; pomarańczowy - prąd, zielony - napięcie

ATV1200 to napęd w pełni zintegrowany zawierający wszelkie niezbędne komponenty, który jest łatwy w instalacji. Rodzina ta w całym zakresie oferty kompatybilna jest z normą IEE519-1992. Standardowe napędy bazują na technologii zasilania 36-pulsowego, co ogranicza zniekształcenia harmoniczne prądu na wejściu falownika do poziomu THDi<2%, natomiast konstrukcja 54-pulsowa pozwala osiągnąć poziom zniekształceń TDHi<1%. Efektem tego jest perfekcyjna sinusoida prądowa i napięciowa na wejściu falownika (rys. 3). W tabeli przedstawiono porównanie wykonania sterowników elementów mocy różnego typu.

Jak pokazuje zestawienie tabelaryczne, w przekształtniku ATV1200 zostały wykorzystane podzespoły najpewniejsze oraz najbardziej odporne na uszkodzenia dzięki małym prądom sterującym. Ilość komponentów sterownika w technologii LV IGBT jest niska, co ma wpływ na niezawodność całego urządzenia. Co więcej, przekształtnik ATV1200 dzięki zastosowaniu niskonapięciowych tranzystorów IGBT należy do grupy przekształtników średniego napięcia o najwyższej sprawności.

Urządzenie to nie potrzebuje również skomplikowanych filtrów oraz dużych elementów indukcyjnych w obwodach DC, dzięki czemu jest również efektywne ekonomicznie w przeciwieństwie do przekształtników źródła prądowego, w których wykorzystuje się drogie sterowniki elektronicznych elementów mocy, skomplikowane filtry oraz duże i drogie cewki w obwodzie prądu stałego czyniące całość urządzenia mało efektywnym ekonomicznie.

KOMPATYBILNOŚĆ Z SILNIKAMI

Porównanie technologii podzespołów elektroniki mocy wykorzystywane w przekształtnikach częstotliwości średniego napięcia

Nie ulega wątpliwości, że obydwie odmiany przekształtników (prądowy oraz napięciowy w wykonaniu wielopoziomowym) idealnie spełniają wymogi nowych aplikacji i tzw. "retrofitów", czyli takich, gdzie istnieje konieczność wymiany bądź dostawienia napędu do pracującego systemu oraz starego silnika. Obydwie technologie pozwalają na zastosowanie standardowych przewodów silnikowych i nie wymagają ich ekranowania.

Przekształtnik ATV1200 pozwala na zastosowanie przewodów o długości do 2 kilometrów bez konieczności stosowania filtrów wyjściowych. W przypadku technologii prądowej dzięki niemal idealnemu kształtowi sinusoidy napięciowej na wyjściu (rys. 4) można wykorzystać dłuższe przewody silnikowe o długości sięgającej nawet 15 kilometrów.

Jednakże przebieg prądu nie jest już idealnie sinusoidalny, co może powodować pulsację momentu na wale silnika (toque cogging,) jak również całego układu mechanicznego połączonego z silnikiem (np. pompa, wentylator czy przekładnia). Zjawisko to łagodzone jest za pomocą wbudowanych filtrów wyjściowych, których uszkodzenie skutkować może jednak uszkodzeniem silnika i całego układu mechanicznego. Zastosowane filtry zmniejszają również sprawność samego przekształtnika.

Rys. 4. Przebiegi wyjściowe przekształtnika źródła prądowego; górny - napięcie, dolny - prąd

W przypadku przekształtnika źródła napięciowego wykonanego w technologii wielopoziomowej - ATV1200 przebiegi wyjściowe wyglądają nieco inaczej, co przedstawiono na ilustracji (rys. 5).

W technologii multilevel wyjście napięciowe jest quasi-sinusoidą zbudowaną z wielu poziomów napięcia - aż do 19 (stąd nazwa technologia wielopoziomowa). Technologia ta jest w pełni kompatybilna nawet ze starymi silnikami o klasie izolacji B. Stromości narastania napięcia wyjściowego dV/dt mieszczą się w przedziale 500-1000 V/µs zdefiniowanym w normie VDE0503, które ogólnie przyjęte są jako wartości niepowodujące degradacji izolacji silnika.

Kształt prądu wyjściowego jest niemal idealną sinusoidą, dzięki czemu nie powstaje pulsacja momentu na wale silnika. Dzięki tym cechom przekształtnik ten nie wymaga stosowania filtrów wyjściowych. Co więcej - z powodu wbudowanego transformatora tworzone jest mocne uziemienie, co zapobiega zjawisku przesuwania punktu neutralnego na silniku (neutral point shifting).

Technologia wielopoziomowa jako jedyna dzięki niskim stromościom narastania napięcia wyjściowego oraz zintegrowanemu transformatorowi oraz uziemieniu całkowicie zapobiega powstawaniu prądów łożyskowych, których obecność może doprowadzić do powstawania uszkodzeń silnika.

PODSUMOWANIE

Rys. 5. Przebiegi wyjściowe przekształtnika ATV1200; pomarańczowy - prąd, zielony - napięcie

Powyższe porównanie przedstawia rzeczywiste cechy urządzeń w dwóch różnych technologiach wykonania. Z pewnością przekształtniki źródła prądowego oraz napięciowego w wykonaniu wielopoziomowym są technologiami najwyższej jakości oraz niezawodności. Niemniej jednak ukazana analiza pokazuje, że napęd napięciowy multi level jest bardziej uniwersalnym oraz niewywołującym negatywnych efektów na działanie aplikacji jak i żywotność silnika.

Co więcej - przekształtniki w technologii prądowej są znacznie droższe oraz mają niższą sprawność. Ich użycie jest bardziej uzasadnione w przypadku aplikacji, gdzie silnik oddalony jest od przekształtnika o kilka kilometrów lub tam, gdzie wymagany jest zwrot energii do sieci zasilającej. W każdym innym przypadku wybór napędu napięciowego jest bardziej uzasadniony technicznie oraz biorąc pod uwagę koszty samego urządzenia, wykonania instalacji oraz sprawności również ekonomicznie.

Łukasz Wieczorek
Schneider Electric Polska
www.schneider-electric.com