Filtry harmonických typu AHF 005 a AHF 010

Filtry harmonických typu AHF 005 a AHF 010

Ing. Viktor Hašpl, Danfoss

Firma Danfoss se specializuje na výrobu a dodávky měničů kmitočtu, včetně poprodejního servisu, tzn. nabídky komplexní aplikační podpory, jako je fungující celosvětová servisní síť a nepřetržitá technická podpora a odborná pomoc 24 hodin denně.

Firma nabízí celé spektrum měničů kmitočtu, s nimiž je možné zvolit takové řešení pohonu, které garantuje minimální zkreslení síťového napětí harmonickými a splňuje normu IEEE 519-1992 a stupeň 1 budoucí normy EN 61000-3-12.

Obecné informace o harmonických

Ve spojení s měniči kmitočtu s proměnlivou rychlostí se termín „harmonický„ používá často. Vyjadřuje, že v podstatě jakýkoliv periodický signál může být prezentován jako suma sinusových funkcí s frekvencemi rovnajícími se celočíselným násobkům základní frekvence tak, jak je ukázáno v grafu na obr. 1. Součet signálu se základní frekvencí a signálů s frekvencemi pětkrát, sedmkrát, jedenáctkrát a třináctkrát vyššími než základní frekvence ve výsledku dává téměř kvadratický tvar vlny. Signál s frekvencí pětkrát vyšší, než je základní frekvence, se nazývá 5. harmonická.

Pro nesinusoidní proud, jako je vstupní proud u měničů kmitočtu s proměnlivou rychlostí, označuje termín „harmonická analýza„ rozložení libovolného průběhu proudu na proud o základním kmitočtu (50 nebo 60 Hz) a na proudy s frekvencemi rovnajícími se celočíselným násobkům základní frekvence. Toto rozdělení se někdy také nazývá Fourierova analýza. Příkladem Fourierovy analýzy jsou grafy na obr. 2 a obr. 3, vycházející z výpočtů, kde je proud z měniče kmitočtu (ukázána je pouze polovina periody) rozdělen na harmonické složky.

Účinky harmonických

U aplikací měničů kmitočtu s proměnlivou rychlostí je předmětem zájmu harmonické zkreslení proudu i harmonické zkreslení napětí. Harmonické zkreslení proudu a harmonické zkreslení napětí mají odlišné účinky na systém napájení, a proto je důležité oba účinky harmonických zkreslení rozlišovat.

Harmonické zkreslení proudu je způsobeno usměrňovačem v měniči kmitočtu s proměnlivou rychlostí. Obvykle se jedná o šestipulsní diodový usměrňovač. Harmonické proudy lze popsat jako proudy přidané k původnímu proudu nelineárním členem. Harmonické zkreslení proudu následně zvyšuje skutečnou efektivní hodnotu proudu (RMS), a pokud není odstraněno, může např. dojít k přehřátí transformátoru nebo kabelů. Velikost harmonického zkreslení proudu je často uváděna v procentech jmenovitého proudu, což se někdy označuje také jako celkové harmonické zkreslení proudu (THID).

Zdrojem harmonického proudu v síti je obvykle generátor harmonického proudu (např. diodový usměrňovač). Úbytky napětí způsobené harmonickými proudy na vnitřní impedanci zdroje vedou k harmonickému zkreslení napětí sítě. To znamená, že harmonické zkreslení napětí je produktem harmonického zkreslení proudu a impedance zdroje, kde zdroj s největší impedancí vyvolává největší zkreslení napětí.

Harmonické zkreslení napětí může interferovat (interference – skládání dvou střídavých proudů s nestejnou frekvencí – pozn. red.) se zařízením připojeným ke stejnému napájení (např. motory nebo elektronická zařízení), popř. může způsobit i poškození tohoto zařízení. Velikost harmonického zkreslení napětí je často uváděna v procentech jmenovitého napětí, což se někdy označuje také jako celkové harmonické zkreslení napětí (THVD).

Metody odstranění harmonického zkreslení

Vyhnout se potenciálnímu poškození zařízení a dodržet platné standardy a doporučení (např. norma IEEE 519-1992 nebo budoucí norma EN 61000-3-12) lze s využitím několika metod odstranění harmonického zkreslení v měničích kmitočtu. Nejznámějšími metodami jsou:

• tlumivka na vstupu usměrňovače,
• vestavěná tlumivka na výstupu usměrňovače,
• vícepulsní usměrňovače (dvanácti- a osmnáctipulsní),
• aktivní filtr,
• pasivní filtr.

Nejrozšířenější a nejsnadnější metodou odstranění harmonického zkreslení je použití tlumivky na vstupu usměrňovače, která vyhlazuje proud vycházející z měniče kmitočtu. V porovnání s měničem bez tlumivky lze při použití vstupní tlumivky dosáhnout výrazně nižšího harmonického zkreslení. Podobného účinku jako při použití vstupní tlumivky je možné dosáhnout i pomocí tlumivky vestavěné na výstupu usměrňovače. Výstupní tlumivky mají v porovnání s tlumivkami na vstupu menší velikost, vyšší účinnost a nevykazují žádný úbytek napětí na vstupu usměrňovače.

Vícepulsní, tj. dvanácti- a osmnáctipulsní usměrňovače byly dlouhou dobu používány jako standardní metoda snížení harmonického zkreslení u měničů kmitočtu. Teoreticky je 5. a 7. harmonická (u osmnáctipulsního měniče také 11. a 13. harmonická) vyrušena pomocí transformátorů s fázovým posunem a s použitím dvou (nebo tří) šestipulsních diodových usměrňovačů. Výraznou nevýhodou vícepulsní metody odstraňování harmonického zkreslení je však sklon ke vzniku nesymetrického napájecího napětí nebo možnost zkreslení harmonického pozadí. Úplného odstranění 5. a 7. harmonické (11. a 13. harmonické) lze zřídkakdy dosáhnout.

Aktivní filtr je zcela nová technika s potenciálem pro potlačení harmonického zkreslení téměř na nulu. Avšak k tomu, aby se v blízké budoucnosti stal aktivní filtr úspěšnou metodou odstraňování harmonického zkreslení, je třeba vyřešit několik vážných problémů. Aktivní filtr např. přepíná vysoké napětí přímo na napájení, což má za následek vznik vysokofrekvenčního šumu. V současné době neexistují žádné normy upravující úroveň vysokofrekvenčního šumu vznikajícího při spínání (2 až 150 kHz), který je zanášen do sítě. Proto je hlavním úkolem do budoucna určit vhodnou úroveň vysokofrekvenčního šumu, aby bylo zajištěno, že nebude docházet k poškození jiných zařízení.

Řešení od firmy Danfoss

Firma Danfoss nabízí tři úrovně technologií k odstranění harmonického zkreslení.

Všechny měniče kmitočtu Danfoss jsou vybaveny vestavěnými tlumivkami na výstupu usměrňovače snižujícími harmonické zkreslení o polovinu v porovnání s měniči kmitočtu bez takovéto ochrany. Tlumivky vestavěné na výstupu usměrňovače zajišťují nejen splnění harmonických limitů u většiny aplikací, ale také dlouhou životnost kondenzátoru ve stejnosměrném meziobvodu. Doplňkově nabízí firma Danfoss harmonické filtry typu AHF 010 a AHF 005, přičemž filtr AHF 010 zmenšuje harmonické proudy na méně než 10 % (obr. 5) a AHF 005 na méně než 5 % (obr. 4). Harmonické filtry AHF 005 a AHF 010 jsou výrobky nové generace – byly speciálně vyvinuty pro měniče kmitočtů Danfoss.

Technické údaje:

• napětí v síti 380 až 415 V AC (50 Hz) nebo 440 až 480 V AC (60 Hz),
• proudové rozpětí 10 až 325 A (u výkonnějších měničů mohou být filtry zapojovány paralelně).

Charakteristiky filtrů AHF 005 a AHF010

• malá kompaktní konstrukce umožňuje snadné umístění do rozváděče,
• snadná instalace do existujících aplikací,
• AHF 010 snižuje celkové harmonické zkreslení na 10 %,
• AHF 005 snižuje celkové harmonické zkreslení na 5 %,
• jeden filtr lze použít pro více měničů kmitočtu,
• vysoká účinnost (>0,98),
• snadné nastavení podle požadavků uživatele – není zapotřebí dělat nějaké úpravy,
• nevyžaduje pravidelnou údržbu.

Tab. 1 Účinnost filtrů Danfoss při odstraňování harmonických zkreslení

Filtrační vlastnosti při nesouměrném napájecím napětí

Ideálního třífázového napájecího napětí téměř nelze dosáhnout. Ovšem harmonické filtry Danfoss AHF 005 a AHF 010 byly vyvinuty tak, aby zajišťovaly hodnoty blízké (nebo lepší) 10 % THID (obr. 7), popř. 5 % THID (obr. 6), i v případě, že předem dané harmonické zkreslení napětí dosahuje 2 % nebo napěťová nesymetrie je 2 %.

Dále, jak ukazují grafy na obr. 8 až 11, i při silné napěťové nesymetrii dosahující 3 % nebo při silném zkreslení pozadí ve výši 5 % lze s těmito filtry dosáhnout významného zmenšení harmonických proudů. Jakýkoliv jiný harmonický filtr, dvanácti- nebo osmnáctipulsní usměrňovač, je velmi negativně ovlivněn neideálním napájecím napětím (např. nesymetrií napětí nebo zkreslením napěťového pozadí). Již uvedené hodnoty účinnosti při neideálním napájecím napětí by proto neměly být chápány jako limity produktů firmy Danfoss, ale spíše jako demonstrace velké informační otevřenosti k zákazníkům při diskusích o tak důležitých tématech, jako jsou harmonická zkreslení.