Napędy LHD - Low Harmonic Drive oraz aktywne AAF w ofercie napędów VLT® firmy Danfoss

fot. Danfoss Sp.z o.o.

Firma Danfoss wprowadzając na rynek napędy dużych mocy HPD (High Power Drives) w zakresie do 1,4MW zadbała jednocześnie o ich właściwą współpracę z siecią zasilającą, a tym samym ograniczyła do minimum negatywne oddziaływanie napędów HPD na inne odbiorniki energii elektrycznej.

Rozwiązania filtracji pasywnej, ograniczające emisję wyższych harmonicznych do sieci zasilającej, zawsze uzupełniały ofertę napędów dużych mocy firmy Danfoss. Aktualnie Danfoss wprowadził na rynek filtry aktywne oraz napęd LHD, które są dalszym krokiem w kierunku precyzyjnej redukcji wyższych harmonicznych generowanych przez przetwornice częstotliwości do sieci zasilającej.

Przetwornice częstotliwości VLT® Low Harmonic Drive (LHD)  – przetwornica zintegrowana z filtrem aktywnym 

VLT® Low Harmonic Drive jest napędem, który integruje standardową przetwornicę częstotliwości z filtrem aktywnym. Składa się on z następujących elementów, (Rys 1):

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

Rys 1. Elementy składowe napędu  VLT® Low Harmonic Drive 

VLT® Low Harmonic Drive jest korzystnym rozwiązaniem:

• gdy w grę wchodzi spełnienie wymagań najostrzejszych norm i standardów odnośnie 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

VLT® Low Harmonic Drive jest produkowany w zakresie 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

Filtr AAF jest wyłączony IRMS=346A                                 Podstawowa harmoniczna prądu I1=330A THDi=28,7%	Filtr AAF jest załączony IRMS=333A Podstawowa harmoniczna prądu I1=332A THDi=2,1%

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 na poziomie THDu=1,2%.

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

Przetwornice częstotliwości w wersji 12pulsowej 

Napędy VLT® 12-pulsowe Danfoss są optymalnym rozwiązaniem, jeżeli jest wymagana redukcja harmonicznych

oraz zwiększona stabilność sieci zasilającej. Układ prostownikowy 12-pulsowy jest tworzony poprzez równoległe

połączenie dwóch 6-pulsowych prostowników z 30° stopniowym przesunięciem fazowym. Przesunięcie fazowe uzwojeń wtórnych transformatora prowadzi do eliminacji z widma prądu strony pierwotnej harmonicznych rzędu 5, 7,17, 19.

Prostownik 12-pulsowy obniża THiD do ok 10% w porównaniu do THiD dla prostownika 6-pulsowego, które wynosi od 30% do 50%. 

Napędy 12-pulsowe firmy Danfoss zapewniają obniżenie poziomu harmonicznych bez dodatkowych elementów pasywnych, których stosowanie wymaga niejednokrotnie analizy sieci w celu uniknięcia problemów związanych ze zjawiskami rezonansowymi. Napęd VLT® 12-pulsowy jest przetwornicą częstotliwości o wysokiej sprawności zbudowaną z tych samych modułów jak napędy 6-pulsowe, co zapewnia wysoką pewność działania oraz funkcjonalność w wymagających przemysłowych aplikacjach.

VLT® Low Harmonic Drive w wersji 12pulse jest produkowany i dostępny w zakresie mocy od 250kW do 1,2(1,4) MW. 

Filtry aktywne AAF Danfoss

Filtry aktywne AAF Danfoss realizują:

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

Filtry znajdujące się w ofercie innych producentów realizują jedynie niektóre z powyższych zadań. Filtry aktywne AAF Danfoss posiadają wszystkie powyższe cechy w standardowym wykonaniu.

Danfoss produkuje 5 wielkości filtrów aktywnych w zakresie prądów nominalnych od 190A – 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. 

Rys 3. Zasada działania filtru aktywnego

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 jest dedykowana w pierwszej kolejności do kompensacji wyższych harmonicznych. Priorytet kompensacji harmonicznych jest domyślnym trybem pracy filtrów AAF Danfoss. Dostępne są dwa tryby pracy: kompensacja selektywna i kompensacja 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-go rzędu. Tryb ten 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).  

W trybie kompensacji szerokopasmowej, kompensujemy wszystkie wyższe harmoniczne do 40-go rzędu (bez składowej podstawowej), tak aby uzyskać założoną wielkość współczynnika odkształcenia prądu THDi.

Tryb kompensacji szerokopasmowej jest rekomendowany 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 są dedykowane 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 

Filtr AAF jest wyłączony Prąd pobierany z transformatora przez przetwornicę,IRMS=379A THDi=38,6%	Prąd pobierany z transformatora IRMS=366A THDi=5,3%

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

Na skutek działania filtru współczynnik odkształcenia prądu THDi zmalał z 38,6% na 5,3%, czyli o ok. 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 (ok. 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, zwiększa niezawodność pracy
• Wykorzystanie w budowie filtra aktywnego tych samych komponentów, które są stosowane w seryjnie produkowanych przetwornicach częstotliwości, ułatwia 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