Frekvenční měniče Ultra-low harmonic – účinné řešení problémů s harmonickými

Harmonické

Zjednodušeně řečeno, průběh okamžité hodnoty napětí a proudu lze ideálně popsat harmonickou funkcí sinus či kosinus s určitou amplitudou, frekvencí a počáteční fází (obr. 1).

V reálných obvodech však průběhy okamžitých napětí a proudů těmto jednoduchým harmonickým funkcím neodpovídají – jsou deformované dalšími frekvenčními složkami (obr. 2). Nejčastěji se v této souvislosti hovoří o harmonických. Deformace či zkreslení napětí a proudů v napájecích sítích způsobují značnou řadu problémů, které mají dopad na funkci a provoz všech prvků soustavy.

Vedle kratší životnosti zařízení a jeho nespolehlivého provozu hrozí např. přehřátí a s ním spojené plýtvání energií způsobující větší ztráty u transformátorů, kabelů, kondenzátorů či motorů. U motorů může navíc dojít ke zvýšení hlučnosti. Oscilace momentu v rotoru pak může vést k mechanické rezonanci a ke zvýšeným vibracím. V případě kondenzátorů hrozí v nejvážnějších případech riziko exploze. Kvůli zkreslení sítě mohou také blikat elektronické displeje a svítidla, selhat počítače a měření může dávat nepravdivé výsledky.

Frekvenční měniče a harmonické

Jedním ze zdrojů harmonických jsou elektrické regulované pohony, z nichž střídavé regulované pohony jsou v současné době nejpoužívanější. Zjednodušený průběh proudu odebíraného střídavým regulovaným pohonem s trojfázovým neřízeným můstkovým usměrňovačem v jeho měniči z napájecí sítě je na obrázku 3. Jestliže jej vyjádříme pomocí Fourierovy řady (tj. tento neharmonický proud rozložíme na součet sinusových proudů), pak dostaneme následující vztah:

Veličina Im je amplituda odebíraného proudu, d je úhel vedení jedné diody usměrňovače a h je řád příslušné harmonické.

Z harmonické analýzy provedené pro tento odebíraný proud lze zjistit, že ve spektru harmonických proudu se objevují harmonické pouze určitých řádů, což vyhovuje tomuto vztahu:

h = (k ⋅ p ) ± 1                                                                                              

Veličina h je řád příslušné harmonické, k je celé číslo a p je počet pulzů usměrňovače.

Harmonické proudu závisejí na konstrukci pohonu, harmonické napětí jsou proudové harmonické vynásobené impedancí zdroje.

Generované proudové harmonické lze ovlivnit vhodnou konstrukcí měniče frekvence. Zejména pro vyšší výkony je možné použít vícepulzní (6-, 12-, 18- a 24pulzní) zapojení vstupního diodového usměrňovače. Dalším významným konstrukčním prvkem ovlivňujícím harmonické jsou použité tlumivky, a to buď na střídavé straně (AC), nebo ve stejnosměrném meziobvodu (DC). Existuje řada různých způsobů, jimiž lze vliv harmonických snížit, přičemž snahou předních světových výrobců je emise harmonických potlačit přímo tam, kde vznikají. 

Měniče frekvence „Ultra-low harmonic“

Zajímavou možností je využití měničů frekvence s nízkým obsahem harmonických „Ultra-low harmonic“ (ULH). Novinkou v této oblasti jsou měniče ACH580 Ultra-low harmonic, které v nedávné době zařadila do svého portfolia společnost ABB a rozšířila tím ULH varianty i pro menší výkony. ABB nabízí ULH i u dalších skupin měničů, jako jsou ACS880 či ACS2000 (pro VN), a ty pak lze nabídnout v široké škále výkonů 4 kW – 3,68 MW 

Měniče frekvence ACH580 (obr. 5) jsou přednostně určeny pro čerpadla a ventilátory v HVAC (větrání, vytápění a klimatizace) aplikacích a jejich vlastnosti je možné ocenit např. v nemocnicích, datacentrech apod. ABB u nich použila dvě osvědčená řešení – prvním je aktivní vstupní sekce, kde je diodový usměrňovač nahrazen IGBT tranzistory. Výsledkem je nízký obsah harmonických a účiník rovný jedné (i při částečném zatížení). 

Druhým osvědčeným řešením jsou LCL filtry (obr. 6). U měniče ACS880 je navíc i přímé řízení momentu, tzv. DTC. Toto řešení umožňuje eliminovat harmonické v celém rozsahu frekvencí, což odlišuje takto vybavené měniče od ostatních měničů na trhu.

LCL filtry, odstraňující vyšší frekvence, jsou konstrukčně integrovanou součástí střídače, takže není třeba počítat s dodatečnou instalací vně měniče. U měničů frekvence ACH580 je navíc vhodně použita modifikovaná konstrukce DC tlumivky (tzv. DC swinging choke) pro redukci THDi při částečném zatížení.

Mezi další způsoby snížení obsahu harmonických patří usměrňovače s PWM řízením, pasivní, aktivní a hybridní filtry pro odstranění harmonických generovaných rušícími zátěžemi, širokopásmové harmonické filtry, zvyšování zkratového výkonu sítě či oddělení rušících zátěží od citlivých zařízení.

Zajímavá je tabulka porovnání vybraných řešení pro redukování obsahu harmonických z různých hledisek. ULH měnič ABB ACS880 vykazuje nejmenší celkové harmonické zkreslení THDi = 3 %.

Výhody ULH měničů ABB jsou tedy především následující: 

• řešení je zabudované přímo v měniči – menší prostorové nároky i investiční náklady;
• typické hodnoty pro plné zatížení THD proudu na vstupních svorkách jsou výrazně nižší, než vyžadují normy, jako jsou IEEE519, IEC61000-3-12 či G5/4;
• Low harmonic drive mají možnost zvyšovat napětí ve stejnosměrném meziobvodu na základě spínání, kdy dochází k hromadění energie v tlumivce a k vybíjení (vektor nulového napětí) do kondenzátoru (činný vektor napětí); pak lze použít měnič frekvence napájený ze sítě 400 V pro regulaci otáček motoru na jmenovité napětí 500 V nebo kompenzovat snížení napětí v síti (např. 360 V) na jmenovité napětí motoru (např. 400 V);
• Low harmonic drive měniče frekvence s IGBT prvky v usměrňovači navíc přinášejí možnost kompenzace jalového výkonu, a to na základě:
  • pevného řízení kvar,
  • pevného řízení cosfi,
  • zadání reference Q prostřednictvím analogového vstupu,
  • zadání reference Q prostřednictvím Fieldbusu,

• není třeba předimenzovávat trafo, např. pro 1 MW se volí 1,35 MVA trafo a pro 12pulz třívinuťové, pro UHL systém postačí 1,1 MVA trafo dvouvinuťové;
• nejsou nutné externí filtry a transformátory s více vinutími;
• energeticky úsporný provoz;
• odolnost vůči harmonickým generovaným jinými zařízeními (spolehlivý chod);
• vyšší spolehlivost a delší životnost;
• účiník rovný 1 i pro různá zatížení.

Výpočet harmonických

Kromě měničů nabízí ABB také softwarový nástroj DriveSize na výpočet harmonického zkreslení. S jeho pomocí lze harmonické počítat buď na úrovni jednotlivých pohonů, nebo na úrovni transformátoru. Zdarma poskytovanou verzi tohoto nástroje si lze stáhnout na internetových stránkách ABB (http://new.abb.com/drives/software-tools/drivesize)." style="text-decoration: none; color: rgb(179, 179, 180); font-weight: 700;">http://new.abb.com/drives/software-tools/drivesize).

Z výše uvedeného je zřejmé, že je vždy třeba zvážit všechny aspekty místní instalace a na základě požadovaných parametrů tak zvolit správné řešení regulovaného pohonu.