Redukcja wyższych harmonicznych dzięki zastosowaniu napędów z przekształtnikami matrycowymi

Filtry pasmowo-zaporowe są popularnym rozwiązaniem do ograniczania wyższych harmonicznych w napędach silników elektrycznych, jednak napędy z przekształtnikami matrycowymi mogą przynieść użytkownikowi dodatkowe korzyści w tym zakresie, bez konieczności posiadania sprzętu peryferyjnego i ponoszenia wysokich kosztów.

Ze względu na możliwości swobodnej regulacji prędkości obrotowej oraz coraz wyższej sprawności energetycznej napędy o zmiennej częstotliwości (variable frequency drive – VFD) są powszechnie używane do sterowania pracą silników elektrycznych. Jednak większość konwencjonalnych napędów VFD to odbiorniki nieliniowe, co wynika z charakteru realizowanego w nich procesu przetwarzania energii. W rezultacie prąd pobierany przez te napędy z sieci zostaje zniekształcony i generowane są w nim wyższe harmoniczne częstotliwości. Nadmierna ilość harmonicznych powoduje przegrzewanie się sprzętu elektrycznego przyłączonego do sieci zasilania przed napędem, zmniejszenie współczynnika mocy, zmniejszenie sprawności energetycznej oraz generowanie dodatkowych częstotliwości harmonicznych napięcia, które mogą spowodować problemy ze zgodnością z normą IEEE 519, dotyczącą wymogów w zakresie możliwości występowania harmonicznych oraz praktycznych sposobów ograniczania ich liczby i poziomów.

Popularnym rozwiązaniem do ograniczania harmonicznych generowanych przez napędy VFD jest wykorzystywanie wejściowego filtra harmonicznych, określanego także mianem filtra pasmowo-zaporowego („pułapkowego”, trap filter). Filtry te wyłapują harmoniczne, aby odizolować sieć zasilającą od nieliniowego prądu pobieranego przez napęd. Takie rozwiązania skutecznie ograniczają harmoniczne, jednak mają swoją cenę. Zawsze, gdy do takiego systemu jest dodawany nowy sprzęt, oznacza to konieczność poniesienia dodatkowych kosztów i przydzielenia dodatkowej przestrzeni, zaś sprawność energetyczna samego systemu spada. Alternatywą dla filtrów pasmowo-zaporowych jest technologia napędów z przekształtnikami matrycowymi, oferująca kompaktowe rozwiązanie techniczne do ograniczania harmonicznych, bez potrzeby instalowania dodatkowego sprzętu peryferyjnego.

Napędy z przekształtnikami matrycowymi zwykle pracują ze współczynnikiem zawartości harmonicznych prądu wejściowego mniejszym od 5%.

Porównanie zawartości harmonicznych w napędach VFD i z przekształtnikami matrycowymi

Niska zawartość harmonicznych w prądzie wejściowym jest jedną z kluczowych zalet wykorzystania technologii przekształtników matrycowych w przetwarzaniu energii elektrycznej. Podczas pracy silnika prąd jest pobierany z sieci przez napęd w sposób naturalny, przy niskim poziomie harmonicznych. Napędy z przekształtnikami matrycowymi zwykle pracują przy współczynniku zawartości harmonicznych prądu wejściowego THD (total harmonic distortion) mniejszym od 5%. Wejściowe filtry harmonicznych utrzymują niską zawartość częstotliwości harmonicznych zarówno przy obciążeniu znamionowym, jak i przy niskim. Trzeba podkreślić, że napęd z przekształtnikiem matrycowym utrzymuje mniejszą zawartość harmonicznych niż napęd VFD wyposażony w filtr pasmowo-zaporowy, w całym zakresie obciążeń.

Porównanie sprawności energetycznej napędów VFD i z przekształtnikami  matrycowymi

Napędy z przekształtnikami matrycowymi mają kompaktową budowę i są tak zaprojektowane, aby zawartość harmonicznych w prądzie wejściowym była niska, przy jednocześnie wysokiej sprawności napędu na poziomie niemal 98%. Ich działanie z wysoką sprawnością jest utrzymywane w całym zakresie roboczym. Natomiast, aby utrzymać niską zawartość harmonicznych w przypadku napędów VFD z filtrami pasmowo-zaporowymi, konieczne jest zainstalowanie dodatkowego sprzętu i oprzewodowania. Ponadto taki układ ma mniejszą sprawność, zarówno przy mocy znamionowej, jak i mniejszej, w porównaniu z napędami z przekształtnikami matrycowymi.

Sprawność napędu z przekształtnikiem matrycowym wynosi niemal 98%. Wysoka sprawność takiego napędu jest utrzymywana w całym zakresie roboczym. Filtry harmonicznych, które także utrzymują niską zawartość harmonicznych, wymagają dodatkowego sprzętu i oprzewodowania.

Porównanie mocy biernej pobieranej przez napędy VFD i z przekształtnikami  matrycowymi

Poza mniejszą sprawnością energetyczną wejściowe filtry harmonicznych wymagają dużych kondensatorów do utrzymania niskiej zawartości harmonicznych w prądzie. Duży kondensator oznacza większe prądy pojemnościowe, które krążą pomiędzy siecią zasilającą a filtrem i generują dodatkowe straty oraz zmniejszają całkowitą sprawność energetyczną systemu.

Napęd z przekształtnikiem matrycowym wyposażony jest w mały filtr wejściowy, który izoluje sieć zasilającą od wyjścia AC napędu oraz konwertuje napięcie generowane przez układ odzysku energii z powrotem na „czystą” sinusoidę, aby zaoszczędzić potencjalnie marnowaną energię. Ponieważ napęd z przekształtnikiem matrycowym naturalnie pobiera prąd o niskiej zawartości harmonicznych z sieci, gdy steruje pracą silnika, to nie ma potrzeby stosowania filtra pasmowo-zaporowego.

Konstrukcja napędu z przekształtnikiem matrycowym zawiera mały filtr wejściowy, który izoluje napęd od sieci zasilającej oraz konwertuje napięcie generowane przez układ odzysku energii na czystą sinusoidę, zwracaną następnie do sieci w celu oszczędzania energii.

Odzysk energii w napędach z przekształtnikami matrycowymi

Napęd z przekształtnikiem matrycowym wykorzystuje jako dwukierunkowe łączniki tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (insulated-gate bipolar transistor – IGBT), które bezpośrednio łączą wejście sieciowe AC z wyjściem mocy AC. Inną ważną zaletą tego selektywnego bezpośredniego połączenia napięcia wejściowego z wyjściowym jest to, że energia regeneracyjna może być automatycznie zwracana do sieci. Gdy ma to miejsce, napięcie jest zwykle kierowane do innych obciążeń tego samego źródła, co oznacza, że z sieci pobierana jest mniejsza energia, a rachunki wystawiane przez zakład energetyczny są niższe.

Wejściowe filtry pasmowo-zaporowe tylko ograniczają harmoniczne prądu wejściowego, nie mają natomiast żadnych możliwości odzysku energii. Aby w układzie z takim filtrem pojawił się odzysk, to trzeba by zainstalować dodatkowe komponenty do rozpraszania lub odzyskiwania energii wytwarzanej przez aplikację. Bez nich prawdopodobnie podczas pracy silnika wystąpiłyby uszkodzenia napędu (wskutek przepięć). Te problemy związane z odzyskiwaną energią są wyeliminowane przy wykorzystaniu technologii napędów z przekształtnikami matrycowymi.

Wykorzystywanie napędów z przekształtnikiem matrycowym zamiast napędów VFD z filtrami harmonicznych obniża roczne zużycie energii oraz koszty ogólne firm.

Złożoność napędów VFD z filtrami

Kompaktowe, uniwersalne napędy z przekształtnikami matrycowymi pozwalają na sterowanie pracą silnika przy jego pełnej mocy, możliwość odzysku energii oraz zachowanie niskiej zawartości harmonicznych z sieci zasilania. Oprzewodowanie tych napędów jest proste – wystarczą 3 przewody po stronie wejściowej i 3 po stronie wyjściowej. Natomiast filtry pasmowo-zaporowe wymagają dodatkowego oprzewodowania dla kilku dodatkowych komponentów, które tworzą te filtry. Wszystko to musi być zamontowane w obudowie ochronnej lub w większym panelu. Oprzewodowanie i wyposażenie filtra stanowią dodatkowy element w zakresie wymagań dotyczących okablowania napędu oraz jego panelu, który jest niezbędny do sterowania pracą silnika.


Filtry harmonicznych wymagają dodatkowego oprzewodowania dla kilku dodatkowych podzespołów. Podzespoły te muszą być montowane w obudowie ochronnej lub w większym panelu.

Praca napędów z przekształtnikami matrycowymi bez wyzwalania zabezpieczeń (bez zakłóceń)

Konstrukcja wejściowego filtra harmonicznych wymaga użycia dużych kondensatorów do utrzymania niskiej zawartości harmonicznych w prądzie. Duży kondensator oznacza większe prądy pojemnościowe i większe zapotrzebowanie na moc pozorną, co zmniejsza sprawność energetyczną i zwiększa koszty operacyjne. Filtry te działają także jak wzmacniacze napięcia. Gdy napęd nie steruje pracą silnika lub pracuje z niskim obciążeniem, to obwód filtra wejściowego zwiększa napięcie sieciowe, aby zwiększyć napięcie na szynie DC napędu, co w efekcie może spowodować powstanie przepięć. W takiej sytuacji mogą występować irytujące zadziałania zabezpieczeń lub nawet brak możliwości działania napędu.

Jedyną metodą rozwiązania problemu wzrostu napięcia jest dodanie dodatkowego sprzętu. Należy zainstalować stycznik, który odłącza kondensator przy braku obciążenia lub pracy silnika przy niskich prędkościach obrotowych. I znów: dodatkowy sprzęt oznacza dodatkowe koszty oraz zmniejszenie sprawności i niezawodności systemu. Dodanie stycznika może rozwiązać problem wysokiego napięcia na szynie DC i wyzwalania zabezpieczeń przepięciowych napędu, jednak wykorzystanie stycznika zapobiega także pracy z niską zawartością harmonicznych przy małych obciążeniach. Napęd z przekształtnikiem matrycowym oferuje pracę układu bez wyzwalania zabezpieczeń i konieczności instalowania dodatkowego sprzętu oraz utrzymuje niską zawartość harmonicznych pobieranego z sieci prądu w całym zakresie prędkości obrotowej sterowanego silnika.

Technologia napędów z przekształtnikami matrycowymi umożliwia naturalny pobór prądu o niskiej zawartości harmonicznych przez napęd, gdy steruje on pracą silnika. Natomiast filtry harmonicznych wymagają kosztów i czasu na ich zainstalowanie.

Podsumowanie

Filtry pasmowo-zaporowe mogą być skutecznym sposobem ograniczania harmonicznych w napędach elektrycznych, jednak mają też swoje wady. Filtry harmonicznych oznaczają dodatkowe koszty, dodatkowy sprzęt, przestrzeń montażową, czas instalowania i oprzewodowanie. Ponadto zmniejszają sprawność i niezawodność napędów. Natomiast technologia napędów z przekształtnikami matrycowymi umożliwia naturalny pobór prądu z sieci o niskiej zawartości harmonicznych podczas sterowania pracą silników elektrycznych. Technologia ta pozwala na produkcję kompaktowych i uniwersalnych napędów, które umożliwiają odzysk energii z silników, czyniąc te urządzenia efektywnymi energetycznie napędami regeneracyjnymi, o niskiej zawartości harmonicznych w prądzie pobieranym z sieci. Napędy takie są łatwe w instalacji, uruchomieniu i obsłudze.


Christopher Jaszczolt jest menedżerem produktu w firmie Yaskawa America.