Bierny filtr harmonicznych prądu AHF 005 i AHF 010 firmy Danfoss

Specjalizujemy się w przekształtnikach częstotliwości. Nasza wykwalifikowana obsługa oferuje pomoc przy instalowaniu jak i całodobowe usługi serwisowe. Posiadamy specjalną linie telefoniczną, gdzie służymy fachową pomocą.

Oferowane przez nas rozwiązania przemienników napędowych są oparte na specjalistycznej wiedzy i gwarantują ograniczenie do minimum powstawanie harmonicznych prądu w sieci zasilania.

Wymagania te są określane przez IEEE 519-1992 oraz w normie EN 61000-3-12

Ogólne informacje o „harmonicznych”

Termin „harmoniczne” jest często używany przy napędach regulowanych.

Ale co to są te harmoniczne?

Zasadniczo każdy periodyczny sygnał może być przedstawiony jako suma funkcji sinus o częstotliwości podstawowej oraz sygnałów sinusoidalnych o częstotliwości 5;7;11 i 13 razy większych od częstotliwości podstawowej.

Jak to pokazano na rysunku poniżej.

Sygnał o częstotliwości 5 razy większej od podstawowej nazywa się piątą harmoniczną.
Zatem dla niesinusoidalnego prądu będącego prądem wyjściowym w napędach regulowanych, analiza harmonicznych polega na rozkładzie prądu na harmoniczną podstawową oraz na wyższe harmoniczne będące wielokrotnością częstotliwości podstawowej. Taki rozkład nazywa się analizą Fourier'a.

Przykład takiej analizy pokazany jest na poniższym wykresie, gdzie prąd NPC (tylko połowa przebiegu) jest rozłożony na harmoniczne prądu.

Oddziaływanie harmonicznych.

W różnych aplikacjach napędów regulowanych zniekształcenia harmonicznych prądu i napięcia są godne uwagi. Mówiąc o wpływie tych harmonicznych na moc systemu należy oddzielić obydwa pojęcia.

Zniekształcające harmoniczne prądu są powstają od prostownika wejściowego NPC, zwykle mostka diodowego 6-pulsowego. Harmoniczne prądu mogą być opisana jako sumy prądu czynnego i biernego. W konsekwencji zniekształcenia harmoniczne prądu powodują wzrost skutecznej wartości prądu zasilania (I_rms) i jeśli to nie zostanie wzięte pod uwagę można doprowadzić do przegrzania komponentów takich jak transformator lub przewód.

Wielkość zniekształceń harmonicznych prądu jest często opisana jako procent udziału wyższych harmonicznych do prądu harmonicznej podstawowej, znana jako w THiD (ang. Total Harmonic Current Distortion).

Harmoniczna prądu normalnie płynie z generatora harmonicznej prądu (np. dioda prostownika) do głównej sieci zasilającej. Spadek napięcia wywołany harmoniczną prądu w połączeniu z impedancją sieci zasilającej powoduje powstanie zniekształceń harmonicznej napięcia. To znaczy, że zniekształcenia harmonicznej napięcia powstają w wyniku zniekształceń harmonicznej prądu w połączeniu z impedancją sieci zasilającej. Sieć o najwyższej impedancji daje najwyższe zniekształcenie napięcia. Zniekształcenia harmonicznej napięcia mogą oddziaływać na urządzenia przyłączone do tej samej linii takie jak regulatory silników lub sprzęt elektroniczny i ewentualnie być przyczyną jego uszkodzenia. Wielkość zniekształconej harmonicznej napięcia jest często opisana jako procent napięcia podstawowego, również znana jako całkowite zniekształcenie harmoniczne napięcia (THvD).

Sposoby redukcji harmonicznych.

Aby uniknąć potencjalnych problemów, albo spełnić standardy i rekomendacje takie jak IEEE 519-1992 lub przyszłe EN 61000-3-12, funkcjonują różne techniki redukcji harmonicznych dla napędów regulowanych:

Najbardziej znane rozwiązania to :

- wejściowe dławiki AC,

• wbudowane dławiki DC,

• prostowniki mostkowe wielopulsowe (12 i 18 pulsowe),

• filtry aktywne,

• filtry pasywne.

Prawdopodobnie najbardziej powszechnym i najprostszym sposobem redukcji harmonicznych jest stosowanie dławika AC przed NPC. Dławik AC wygładza przebieg prądu wytwarzanego przez przekształtnik. W ten sposób można osiągnąć znacznie mniejsze odkształcenia prądu, w porównaniu do podstawowych NPC bez dławików. Podobne efekty jak przy układzie z dławikiem AC możemy otrzymać stosując dławik DC wbudowany do NPC na wyjściach stałonapięciowych prostownika. Jednakże cewki DC w porównaniu do cewek AC są mniejszych rozmiarów, mają większą sprawność i nie redukują wartości napięcia stałego na baterii kondensatorów NPC. Przez długi czas do redukcji odkształceń harmonicznych w napędach były stosowane diodowe mostki prostownicze 12 i 18 plusowe jako standardowe rozwiązania. W teorii 5 i 7 harmoniczna prądu są redukowane poprzez połączenia mieszane gwiazda - trójkąt po stronie wtórnej transformatorów i stosowanie dwóch diodowych prostowników mostkowych 6 plusowych dla uzyskania prostownika 12 plusowego ( 11 i 13 harmoniczna prądu w prostownikach 18 pulsowych, trzy prostowniki 6 pulsowe). Jednak wadą tej metody jest to ,że prostowniki wielopulsowe są podatne na nieidealne napięcie zasilające. Jeśli napięcie jest niesymetryczne lub harmoniczne pochodzą od innych zakłócających odbiorników to całkowita redukcja 5 i 7 (11 i 13) harmonicznej jest rzadko osiągana.

Nowo powstałą techniką umożliwiającą redukcję zakłóceń harmonicznych do wartości bliskiej zeru jest filtr aktywny. Jednak by on był stosowany w niedalekiej przyszłości muszą być podjęte dalsze ważne wyzwania. Na przykład filtr aktywny przyłączony bezpośrednio na wysokie napięcie zasilające powoduje powstanie zaburzeń o wysokiej częstotliwości - hałas elektromagnetyczny. Jak na razie nie ma żadnych norm pozwalających na określenie poziomu zaburzeń o częstotliwościach z przedziału 2kHz - 150kHz wprowadzanych do sieci zasilającej. Tak więc, w przyszłości ważnym zadaniem jest wyznaczyć rozsądne poziomy zaburzeń o wysokiej częstotliwości upewniając się, że nie będą stwarzać zagrożenia uszkodzenia innych urządzeń.

Rozwiązania firmy Danfoss.

Danfoss oferuje techniki redukcji harmonicznych o trzech poziomach. Standardowo wszystkie przekształtniki częstotliwości Danfoss wyposażone są w wbudowane dławiki DC redukujące harmoniczne przemienników o połowę w stosunku do przekształtników bez indukcyjności. Wbudowane dławiki DC nie tylko zapewniają zgodność z ograniczenia harmonicznych z dopuszczalnymi poziomami w większości aplikacji, ale także zapewniają wydłużoną żywotność kondensatorów obwodu DC przekształtnika.

Danfoss opcjonalnie oferuje także filtry harmonicznych AHF010 i AHF005, gdzie AHF010 redukuje harmoniczne prądu do wartości nie przekraczającej 10%, a AHF005 redukuje harmoniczne prądu di wartości nie przekraczającej 5%.

Filtry AHF005 i AHF010 są bardziej zaawansowanymi filtrami harmonicznych w porównaniu do tradycyjnych filtrów drabinkowych LC. Zostały zaprojektowane w szczególności do współpracy z przekształtnikami firmy Danfoss.

Zakresy parametrów.

Napięcie zasilania: 360-415V AC-50Hz lub 440-480 U AC-60Hz

Prąd filtra: 10-325A

(dla wyższych mocy moduły mogą być połączone równolegle)

Charakterystyka filtrów AHF010
i AHF005.

-małe kompaktowe obudowy wyposażone w panel podłączeniowy,

-łatwe do zastosowania w starszych aplikacjach z przekształtnikami,

-AHF010 redukuje wartość współczynnika harmonicznych THiD prądu do 10 %,

-AHF005 redukuje wartość współczynnika harmonicznych THiD prądu do 5 %,

-jeden moduł filtra może być używany do kilku przekształtników częstotliwości,

-wysoka sprawność, powyżej 0,98,

-nie ma konieczności regulacji,

-nie wymaga okresowego serwisu.

W porównaniu do innych znanych rozwiązań filtry harmonicznych Danfoss zapewniają bardzo dobre parametry.

	THiD
Podstawowy 3 fazowy prostownik 6-pulsowy	60% - 80%
Prostownik 3 fazowy z wejściowymi dławikami AC	35% - 45%
NPC Danfoss z wbudowanymi dławikami w obwodzie DC	< 40%
Prostownik 12-pulsowy	10% - 15%
NPC Danfoss z AHF010	< 10%
Prostownik 18-pulsowy	4% - 7%
Filtry aktywne	3% - 8%
NPC Danfoss z filtrem AHF 005	< 5%

(NPC- napięciowy przemiennik częstotliwości)

Osiągi filtru przy nieidealnym napięciu zasilającym.

Wiadomo, że idealne 3-fazowe napięcie zasilające praktycznie nie istnieje. Filtry harmoniczne Danfoss AHF005 i AHF010 są rozwinięte do tego stopnia, że zapewniają wartość THiD do 10% i 5%, także jeśli wcześniej w sieci współczynnik zawartości harmonicznych napięcia wynosił do 2% lub asymetria napięcia wyniosła do 2 %. Co więcej jak widać na poniższych wykresach nawet znaczna wstępna 3% asymetria napięcia lub znaczna wartość współczynnika harmonicznych napięcia do 5% nie uniemożliwia osiągnięcia znacznej redukcji harmonicznych prądu.

Należy pamiętać, że wszystkie inne filtry harmonicznych oraz prostowniki 12 i 18 pulsowe są podatne na nieidealne napięcie zasilające takie jak asymetria napięcia lub napięcie zniekształcone.

Prezentowane wyżej trudności związane z nieidealnym napięciem zasilającym nie powinny być widziane jako czynnik ograniczający. Ale raczej ważna jest kwestia zniekształceń harmonicznych omawianych wyżej.

Kształt prądu i widmo harmonicznych filtrów AHF005 i AHF0010 dla nominalnego obciążenia

Współczynnik zawartości harmonicznych THiD w funkcji obciążenia

Całkowity współczynnik mocy TPF w funkcji obciążenia

Współczynnik zawartości harmonicznych THiD w funkcji asymetrii napięcia zasilania

Współczynnik zawartości harmonicznych THiD w funkcji wstępnego zniekształcenia napięcia zasilania THvD

1

5

---