Przetwornica VACON NXC AFE - niski poziom harmonicznych THDi, zwrot energii do sieci zasilającej
| TechnikaWykorzystywane coraz powszechniej w automatyce elektryczne układy przekształtnikowe, które pobierają z sieci zasilającej prąd niesinusoidalny, bardzo często prowadzą do znaczącego pogorszenia się parametrów napięcia sieciowego. Odpowiadając na rosnące wymagania dotyczące "czystości" energii elektrycznej pobieranej przez układy falownikowe oraz potrzeby zwrotu energii do sieci, firma Danfoss wprowadziła do oferty przetwornicę częstotliwości VACON NXC z aktywnym mostkiem prostowniczym.
Duże zniekształcenia prądu i napięcia, które określane są poziomami współczynników THDi oraz THDu (Total Harmonic Distortion), powodują dodatkowe straty energii elektrycznej, nagrzewanie się transformatorów zasilających, kabli oraz aparatów łączeniowych, skutkując koniecznością ich przewymiarowania, wadliwym działaniem oraz uszkodzeniem.
Odkształcenia napięcia prowadzą do zaburzenia pracy innych urządzeń zasilanych z takiej sieci, np. silniki zasilane napięciem niesinusoidalnym mają większe straty i gorsze parametry mechaniczne. Dopuszczalne poziomy odkształcenia prądu zawarte są m.in. w normie PN-EN 61000-3-12 i w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z 4.05.2007 (szczegółowe warunki funkcjonowania systemu elektroenergetycznego).
Z podanych powodów zagadnienia jakości energii elektrycznej muszą być poważnie brane pod uwagę, szczególnie przy instalacji przetwornic częstotliwości dużej mocy jednostkowej lub sumarycznej.
METODY REDUKCJI THDI
Fot. 1. Przetwornica VACON NXC 400kW/690V z THDi ~4% i ze zwrotem energii do sieci zasilającej
Dla poprawy współczynnika THDi (odkształcenie prądu pobieranego przez przetwornicę) producenci przetwornic częstotliwości opracowali różnorodne rozwiązania techniczne. Najprostszym technicznie, ale dającym jednocześnie zadowalające rezultaty, jest zastosowanie dławika. Dławik instalowany może być w torze DC (po prostowniku) lub na wejściu przetwornicy.
Redukcja harmonicznych prądu w obu tych rozwiązaniach jest na podobnym poziomie (dławik AC dodatkowo chroni mostek przetwornicy, kondensatory DC przed przepięciami pochodzącymi z sieci). Stosując dławik, poziom THDi można ograniczyć do ok. 30?40%. Niektórzy producenci przetwornic redukując koszty przetwornicy, nawet w przemiennikach większych mocy nie stosują dławików jako wyposażenia standardowego. W takich przypadkach zniekształcenia THDi sięgają nawet 80% i więcej!
Innym sposobem ograniczenia wartości THDi jest zasilenie odpowiednio do tego przygotowanej przetwornicy (wyposażonej w prostownik nie 6, a 12-pulsowy) napięciem 6 fazowym. Stosując specjalny, przeznaczony dla danej przetwornicy lub grupy przetwornic transformator zasilający z dwoma uzwojeniami wtórnymi z przesunięciem o 30° elektrycznych, można znacząco ograniczyć dominujące w układach 3-fazowych harmoniczne 5° i 7°.
Metoda ta pozwala na zmniejszenie poziomu THDi do ok. 11-13%. Ze względu jednak na konieczność stosowania nietypowego transformatora, sposób ten jest używany w przypadku przetwornic większej mocy (250 kW i większych). Inną coraz częściej spotykaną metodą redukcji emisji zniekształceń THDi do sieci jest stosowanie równoległych filtrów aktywnych lub szeregowych filtrów pasywnych - dostrojonych do dominującej harmonicznej wyższego rzędu.
Należy pamiętać, że stosowanie filtrów pasywnych wiąże się z pewnymi niekorzystnymi zjawiskami, jak np. możliwość przekompensowania sieci przy niskim obciążeniu przetwornicy - filtr działa jak bateria kondensatorów kompensujących. Jednak dające największe możliwości i korzyści jest zastosowanie przetwornicy częstotliwości wyposażonej w pełni sterowany mostek prostowniczy oraz filtr LCL - tzw. układ AFE.
AFE - ACTIVE FRONT END
Metody opisane powyżej nie zawsze wystarczają, by spełnić coraz wyższe wymagania co do żądanego poziomu THDi i THDu sieci. Rozwiązaniem kompletnym gwarantującym bardzo niski wsp THDi jest przetwornica VACON NXC AFE z w pełni sterowanym wejściowym mostkiem tranzystorowym IGBT. Konstrukcja przetwornicy zawiera dwa osobne moduły mocy - jeden silnikowy i jeden sieciowy - połączone ze sobą wspólną szyną DC oraz filtr sieciowy LCL (w większych mocach liczba modułów mocy jest zwielokrotniona).
Moduł sieciowy, tak jak wspomniano, zamiast diod (lub tyrystorów) ma tranzystory mocy IGBT. Są one sterowane w sposób niezależny od modułu silnikowego osobnym modułem wyposażonym w aplikację kontrolującą przepływ energii do sieci oraz poziom zniekształceń THDi.
Aktywny mostek prostowniczy w połączeniu z filtrem LCL, który jest rozbudowaną o dodatkowy dławik wersją filtra sinusoidalnego, pozwala na osiągnięcie przez przetwornicę odkształcenia prądu THDi pobieranego z sieci na poziomie ~4%.
Przetwornica VACON NXC AFE, poza bardzo dobrymi parametrami THD pobieranego prądu, może w pewnych warunkach działać również jako aktywny regulator współczynnika mocy, kompensujący w sposób ciągły składową pojemnościową lub indukcyjną sieci.
Układ regeneracyjny VACON NXC AFE z filtrem LCL:
|
ZWROT ENERGII DO SIECI I PRACA Z PODBITYM NAPIĘCIEM
Budowa przemiennika VACON NXC w wersji AFE pozwala na przepływ energii elektrycznej w obu kierunkach - do i z silnika bez ograniczenia czasowego. Podczas pracy generatorowej silnika - np. przy opuszczaniu ciężaru (suwnica), nadmiar energii elektrycznej zamiast trafiać, tak jak się to dzieje w standardowych konstrukcjach, do rezystora hamowania i być zamienianym na ciepło strat, trafia z powrotem do sieci zasilającej.
Spotykane są aplikacje, gdzie większość czasu przetwornica pracuje w trybie regeneratywnym, nie napędzając silnika, a odbierając od niego energię - np. kombajn górniczy pracujący na opadającym chodniku. W aplikacjach typu napęd wentylatorów lub wirówek o dużym momencie bezwładności zwrot energii daje możliwość bardzo dynamicznego hamowania maszyną roboczą, poprawiając kontrolę procesu technologicznego.
Inną interesującą funkcją przetwornicy VACON NXC AFE jest kompensacja (w pewnym zakresie) spadków napięcia sieci. Przetwornica ma możliwość podbicia napięcia szyny DC nawet o 130% (standardowa przetwornica do 5%).
PODSUMOWANIE
Duże możliwości sprawdzonej, przemysłowej serii VACON NXC, bardzo niskie odkształcenia THDi, zwrot energii do sieci oraz przystępna jak na tego typu urządzenia cena powodują, że przetwornice te znajdują coraz szersze zastosowanie. Przetwornic VACON NXC AFE używają m.in. KGHM Polska Miedź, PKN ORLEN, L.W. "Bogdanka" i inne.
Od 2015 roku Danfoss Drives, po przejęciu firmy Vacon, jest największym dostawcą napędów elektrycznych o największym udziale rynkowym sprzedaży przetwornic częstotliwości niskiego napięcia w Europie i Polsce.
Nasze marki VLT i VACON to jeden cel i jedna pasja. To szeroka i najbardziej innowacyjna oferta produktowa, a także usługi serwisowe o najwyższej jakości. Danfoss Drives to wolność wyboru dowolnej technologii silnikowej, z ofertą obejmującą zakres mocy od 0,18 kW do 5,3 MW.
Szczegółowe informacje dotyczące całej oferty Danfoss z zakresu obu marek produktowych VLT i VACON można znaleźć na stronach internetowych: www.danfoss.pl/napedy.
Krzysztof Kania
Danfoss Poland Sp. z o.o.
www.danfoss.pl/napedy
