Vyšší harmonické a jejich působení na síť

 

 

Roční potenciální úspora elektrické energie podle některých zdrojů v Německu představuje u elektrických pohonů zhruba 27 mld. kW·h. Proto jsou elektrické pohony v užším centru diskuse o hospodárnosti jejich využití. Díky rozšířenému používání měničů frekvence se hospodárnost při využívaní energie regulovaných pohonů stále zlepšuje. Přece však existuje jeden nedostatek. Napájecí síť zatěžují nelineární spotřebiče, ke kterým patří vedle spínaných zdrojů nebo energeticky úsporných žárovek i měniče frekvence.

 

V ideálním případě by mělo mít síťové napětí, které distribuují dodavatelé elektrické energie pro domácnosti, podniky a průmysl, rovnoměrné sinusové napětí s konstantní amplitudou a frekvencí. Nelineární spotřebiče však odebírají ze sítě nesinusový (neharmonický) zátěžový proud. Takovéto typické zatížení sítě vytvoří nejčastěji používaný 6pulzní vstupní usměrňovač. Z toho vyplývají odchylky od ideální sinusové formy, čemuž se dnes v napájecí síti nedá vyhnout. V určitých hranicích je odchylka i přípustná.

 

Tyto deformace sinusové formy jako následek nelineárního odběru proudu se nazývají zpětné působení na síť nebo také vyšší harmonické. Při posouzení kvality sítě se v současnosti bere v úvahu rozsah do 2,5 kHz odpovídající 50. harmonické. Vyšší harmonické s nejsilnějšími účinky jsou 5. a 7., tedy frekvence od 250 a 350 Hz. Příliš velká deformace, popř. příliš velký obsah vyšších harmonických vede k tomu, že např. citlivé elektronické stanice – zařízení, jako jsou počítače, senzory či regulátory – nebudou fungovat bezchybně. Dokonce mohou být poškozené i nechráněné kompenzační stanice jalového proudu.

 

Přenosová síť, připojené transformátory nebo kompenzační zařízení v průmyslu jsou přepočítané a dimenzované na jmenovitou frekvenci sítě, tj. např. 50 Hz. Vysokofrekvenční podíly, jež představují vyšší harmonické, v provozech značně zvyšují náklady. Vyšší pořizovací náklady na elektrickou energii, větší ztráty na přenosových cestách, zvýšené náklady kvůli většímu zatížení jalovým výkonem a nutnost předimenzování komponent a častí zařízení jsou jen některé z nich. Kvůli tomuto dodatečnému zatížení se mohou dokonce přístroje přehřát a vypadnout.

 

Z důvodu frekvenční závislosti impedance kondenzátorů a cívek v kompenzačních zařízeních stoupají ztráty v těchto zařízeních. Přitom můžou kondenzátory a cívkytvořit oscilační obvody s rezonančními frekvencemi v rozsahu vyšších harmonických, což může mít za následek zničení kompenzačního zařízení.

 

Dalším bodem je větší tepelné zatížení používaných transformátorů a kabelů. Aby se nepřetížily, musí se obě tyto komponenty předimenzovat. Pokud to už není možné, např. v existujícím zařízení, zredukuje se maximální zatížení podle dříve vypočítaného konstrukčního bodu.

 

Deformované napájecí napětí může citlivé spotřebiče omezit v jejich funkcích, nebo dokonce úplně vyřadit z provozu. K těmto spotřebičům patří např. systémy řízení procesu, řídicí komponenty, anebo měřicí zařízení, která pro požadovaný způsob činnosti potřebují správnou úroveň napětí.

 

Aby se uživatelé chránili před zmíněnými účinky, vsadí na opatření na omezení zpětného působení elektronických regulací výkonu do sítě. U měničů frekvence Danfoss jsou např. už sériově zabudované dodatečné filtrační prvky, které slouží pro omezení zatížení vyššími harmonickými. A přece – součet všech nelineárních spotřebičů ve vzrůstající míře vyžaduje řešení, které dále značně zredukuje tyto negativní účinky na kvalitu sítě.

 

Možná řešení se dají rozdělit na pasivní a aktivní opatření. K pasivním řešením patří např. specificky působící absorpční obvody, pasivní filtry s vyššími harmonickými nebo 12- či 18pulzní zapojení. Polovodiče, které se stále vyvíjejí, zlepšují a přizpůsobují rozsahu výkonu, umožňují ve spojení s nejmodernější mikroprocesorovou technikou další možná řešení. Novou a účinnou cestou je použití aktivních elektronických filtračních systémů. Danfoss zde nabízí elektronicky řízený aktivní filtr s názvem VLT Active Filter AHF 04.

 

Na základě stálých měření síťových proudů přepočítá aktivní filtr doplňky k aktuálním vyšším harmonickým. Následně cíleně napojí aktivním zdrojům proudu odpovídající proud tak, že součtem opět vznikne sinusová forma proudu. Z pohledu konstrukce je v porovnání k pasivnímu systému nákladnější. Vyžaduje vysoce analytické rychlé zaznamenání neměřených údajů, vysoký výpočtový výkon v regulátoru a také rychle spínací IGBT. Konstrukce se rozděluje na zaznamenání naměřené hodnoty, regulátor, zdroj energie (kondenzátory) a spínací člen IGBT. Připojení na síť je realizováno prostřednictvím vazebních indukčností.

 

Díky konstrukci filtru je možná simulace absorpčních okruhů bez toho, aby se musel brát ohled na měnící se topologie sítě. Příslušnou parametrizací se určité vyšší harmonické oscilace utlumí, další zůstanou nepovšimnuté. Tím se dá maximální filtrační proud velmi cíleně použít na tlumení podle zadání provozovatele. Alternativně však tyto filtry pracují i komplexně.

 

Díky funkčnímu principu se dají aktivní filtry volně umístit v zařízení. Nemusí být nutně instalované v bezprostřední blízkosti zdroje vyšších harmonických. Stačí spojení s příslušným napájením, anebo rozvodem (obr. 1).

 

Filtry se dimenzují podle proudu tlumené větve. Platí tento zjednodušený vzorec: filtr musí poskytnout asi 35 % utlumovaného zatěžovacího proudu. Tím odpadnou kompaktní přístroje. Ztrátový výkon je v porovnaní k pasivním filtrům vyšších harmonických při podobně vysokém stupni účinnosti výrazně nižší. Dodatečně značně klesá potřeba klimatizace.

 

Aktivní filtry sdružují množství předností běžných řešení. Při užívaní komplexních konstrukčních skupin a elektroniky musí uživatel uvažovat dále. Určitě bude vést výpadek takovéto jednotky ve vysoce využívané síti k poruchám, nebo alespoň k příznakům přetížení. Pomoct může rozdělení kompenzačního výkonu na několik malých jednotek. Dosažitelná kvalita sítě je asi 5 % THDi. Vyšším využíváním existujících energetických systémů se investice do elektronického filtru vyšších harmonických amortizuje už během hospodářsky příznivého časového období.

 

Podrobnější informace o měničích frekvence a filtrech nabízených prodejcem lze obdržet prostřednictvím identifikačního čísla nebo servisní linky.

 

Tlak snižovat náklady na mezinárodních trzích nutí průmyslové výrobce k tomu, aby pátrali po potenciálech úspor a tyto úspory využívali. Prudce stoupající ceny energií, jak to lze pozorovat v posledních letech, jsou proto výzvou. Aby výrobci a provozovatelé udrželi náklady za energie na co nejnižší úrovni, pokoušejí se stále častěji šetrně zacházet s ubývajícími zdroji a drasticky snižovat spotřebu energie. A rovněž vedou i diskuse o oteplování země, klimatických změnách a produkci CO₂ ke změně myšlení mnohých firem ohledně životního prostředí. V této souvislosti hrají právě elektrické pohony důležitou roli. Nelze se tedy divit, že zařízení jsou stále častěji vybavena pohony řízenými v závislosti na otáčkách. Přitom je však potřeba prostřednictvím příslušných opatření zabránit vzniku vyšších harmonických v síti, protože mají negativní účinky na spotřebiče. Další informace na: http://www.danfoss.cz