Przemienniki częstotliwości o niskiej emisji harmonicznych

fot. ABB

Rozwój przemysłu jeszcze nigdy nie był tak dynamiczny, jak dzisiaj. Dzięki łatwemu dostępowi do nowoczesnych technologii i automatyzacji zakładów przemysłowych, procesy produkcyjne przebiegają coraz szybciej, jakość produktów końcowych jest coraz wyższa przy równoczesnym zmniejszeniu ilości odpadów. Jest to zasługą między innymi stosowania skomplikowanych i energooszczędnych urządzeń energoelektronicznych, które, oprócz szeregu zalet, posiadają jednak pewną nie zawsze oczywistą wadę – negatywny wpływ na sieć zasilającą powodowany przez wyższe harmoniczne prądu (THDi) i napięcia (THDu).

Zniekształcenia te mogą prowadzić do obniżenia jakości energii elektrycznej, a w konsekwencji również do wielu niechcianych i często nieprzewidywalnych awarii i przestojów. Dodatkowo, zakłady produkcyjne są zmuszone płacić za energię, której nie da się zamienić na pracę. Firma ABB posiada szereg rozwiązań, dzięki którym w łatwy sposób można oczyścić sieć zakładową z niechcianych zakłóceń.

Niebezpieczne zakłócenia harmoniczne

Zakłócenia harmoniczne mają negatywny wpływ głównie na transformatory powodując ich nadmierne nagrzewanie, co przekłada się z kolei na straty mocy, a w konsekwencji może doprowadzić nawet do ich uszkodzenia. Aby temu zapobiec transformatory poddaje się  przewymiarowaniu, co jednak wiąże się z dużo wyższym kosztem ich zakupu. THDi wpływają również niekorzystnie na układy do kompensacji mocy biernej, oświetlenie, systemy komputerowe oraz wszystkie inne wrażliwe urządzenia elektroniczne.

Najwięcej zakłóceń tego typu wprowadzają do sieci urządzenia o nieliniowej charakterystyce obciążenia, czyli:

• Energooszczędne systemy oświetlenia (lampy LED i świetlówki)
• Instalacje telekomunikacyjne
• Układy awaryjnego zasilania (UPS)
• Przemienniki częstotliwości, napędy prądu stałego i softstarty
• Każde inne urządzenie wyposażone w prostownik diodowy

Wynik z pomiaru prądu jednej fazy w przykładowej, mocno zniekształconej sieci elektrycznej.

Szczególnie narażone na wysoką zawartość harmonicznych prądowych (THDi) są zakłady, w których występuje dużo napędów elektrycznych o regulowanej prędkości obrotowej za pomocą przemienników częstotliwości, przy czym im większa moc urządzeń tym negatywne skutki odkształceń sieci są bardziej odczuwalne.

Sposoby redukcji harmonicznych
Jednym z często wykorzystywanych sposobów na obniżenie zawartości wyższych harmonicznych prądowych jest stosowanie filtrów pasywnych w układach napędowych. To rozwiązanie jest dość popularne głównie ze względu na relatywnie niewielkie koszty inwestycyjne i całkiem przyzwoite obniżenie zawartości harmonicznych do poziomu kilkunastu procent THDi. Układ z filtrem pasywnym nie jest jednak pozbawiony wad. Ponieważ filtry są dobierane na moc znamionową zasilanych urządzeń, najlepiej sobie radzą z redukcją harmonicznych przy znamionowym obciążeniu. Jeśli prędkość silników jest zmniejszana (a w układach napędowych zasilanych z przemienników częstotliwości najczęściej tak się właśnie dzieje) to udział wyższych harmonicznych rośnie nawet do kilkunastu procent, przy jednocześnie znacznym obniżeniu sprawności układu nawet o 20%! Filtry pasywne z czasem również zmieniają swoje parametry, co przekłada się na pogorszenie poziomu filtracji.

Przemienniki częstotliwości o niskiej emisji harmonicznych

Dużo lepszym sposobem na obniżenie zakłóceń powodowanych przez wyższe harmoniczne prądowe w sieci jest stosowanie przemienników częstotliwości o niskiej emisji harmonicznych (ultra low harmonic drives) [poznaj ich pełną gamę na stronach abb.pl] oraz filtrów aktywnych, gdyż te urządzenia gwarantują najniższy poziom THDi (poniżej 4%), a przy okazji wymagają mniej przestrzeni montażowej i są bardziej niezawodne.

Przemienniki częstotliwości o niskiej emisji harmonicznych różnią się pod względem budowy od standardowych falowników głównie dwoma elementami:

• mostkiem prostownikowym – w przemiennikach ultra low harmonic zastosowany jest zawsze prostownik aktywny, o praktycznie takiej samej konstrukcji jak inwerter. Dlatego też niejednokrotnie można się spotkać z określeniem, że przemienniki o niskiej emisji harmonicznych to są „dwa falowniki w jednym”. Urządzenie takie nie umożliwia jednak zwrotu energii do sieci.
• filtrem wejściowym – przemienniki o niskiej emisji harmonicznych posiadają zawsze filtr sinusoidalny wbudowany przed układem prostownikowym (nie mylić z dławikiem sieciowym, czy filtrem EMC), którego zadaniem jest odfiltrowanie pozostałości wprowadzanych zniekształceń.

Dzięki zastosowaniu sterowalnego układu prostownikowego oraz filtra wejściowego, przemienniki o niskiej emisji harmonicznych charakteryzują się współczynnikiem THDi w zakresie od 2,5 do 4%. Przy okazji posiadają jeszcze dwie istotne zalety:

• stabilizują napięcie wyjściowe dzięki możliwości podbicia napięcia na szynie DC, co oznacza, że w przypadku wystąpienia spadku napięcia w sieci o kilkanaście, czy nawet kilkadziesiąt V, przemiennik będzie w stanie utrzymać znamionowe napięcie na wyjściu, dzięki czemu moc silnika nie ulegnie zmniejszeniu i proces będzie niezakłócony
• kompensują moc bierną – współczynnik mocy dla tych przemienników jest praktycznie równy 1, nawet przy częściowym obciążeniu, przez co nie ma konieczności stosowania dodatkowych układów do kompensacji mocy biernej.

Przemienniki od ABB

Firma ABB rozwija technologię napędów o niskiej emisji harmonicznych od kilkunastu lat, czego efektem są najnowsze przemienniki serii ACS880 oraz ACH580 o następujących konstrukcjach:

• ASC880-31 i ACH580-31 – urządzenia do powieszenia na ścianie lub do zabudowy w szafie,
• ACS880-37 – kompletne urządzenia w fabrycznej zabudowie szafowej.

Przemienniki ACH580-31 w obudowach IP21 i IP55

Na szczególną uwagę zasługują przemienniki nowej serii ACH580-31, dedykowane do aplikacji HVAC+R (układy ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji w budynkach, a także w chłodnictwie). Są to urządzenia dostępne w dwóch wersjach szczelności obudowy: IP21 oraz IP55, przy czym gabaryty obu tych wariantów są praktycznie takie same. Falowniki te posiadają wszystkie istotne elementy wbudowane wewnątrz, dlatego też nie ma potrzeby stosowania żadnych dodatkowych zewnętrznych filtrów, co gwarantuje oszczędność miejsca i ogólnie lepsze możliwości zagospodarowania przestrzeni montażowej.

Przemiennik ACS880-31

Z kolei przemienniki ACS880-31, które są dostępne w szerszym zakresie mocy: od 2,2 do 110 kW i mogące pracować nie tylko w sieci o napięciu 3 x 400V ale również 3 x 500V, są urządzeniami przeznaczonymi do zastosowania w bardziej wymagających aplikacjach, w przemyśle energetycznym, chemicznym, metalurgicznym, górniczym, ropy i gazu oraz wielu innych. Ogromną zaletą tych urządzeń, oprócz niezwykle niskiej zawartości THDi, jest bardzo dokładny algorytm sterowania silnikiem (DTC), bardzo bogate wyposażenie standardowe oraz najszersze możliwości programowe spośród wszystkich dostępnych urządzeń tego typu na rynku.

Przemiennik ACS880-37

Napędy o niskiej emisji harmonicznych w obudowie szafowej: ACS880-37 posiadają najszerszy zakres mocy (od 160 do 3200kW) oraz napięcia zasilania (od 380 do 690V), a także setki dostępnych, nawet bardzo niestandardowych, opcji dodatkowych. Konfiguracja oraz dostępne funkcje programowe są takie same, jak w przypadku naściennych przemienników ACS880.