Harmonics White Paper

Transkript

1 1 Harmonics White Paper Ďalší pokrok u pohonov so šírkovo - impulznou moduláciou ŠIM (PWM) Technika redukuje vyššie harmonické v napájacom vedení Bez použitia filtračných obvodov

2 Rušenie vyššími harmonickými ohrozuje zariadenia a vytvára mnoho ďalších problémov Použitie pohonov so šírkovo-impulznou reguláciou otáčok sa aj v oblasti Vykurovania-Vetrania- Klimatizácie (HVAC) prejavilo zvýšením účinnosti a znížením nákladov. Avšak generovanie rušivých signálov s obsahom vyšších harmonických v napája com striedavom vedení môže spôsobiť problémy a zvýšiť náklady na inštalovanie. Špecifikácie pre projekty budov často požadujú súlad s normou IEEE 519, s obmedzením rušenia systému elektrického napájania vyššími harmonickými zložkami prúdu, resp. napätia. V mnohých prípadoch to vyžaduje použitie niektorej z metód na redukciu vyšších harmonických, generovaných pri štandardnom riadení pohonov metódou ŠIM. Konvenčné metódy redukcie zložiek vyšších harmonických vyžadujú v takomto prípade použite prídavných technických prostriedkov (elektrických komponentov), zvýšené požiadavky na priestor a zvýšené náklady. Nová metóda riadenia pohonov prostredníctvom ŠIM, vyvinutá firmou Siemens Building Technologies špeciálne pre aplikácie v oblasti HVAC zabezpečuje redukciu zložiek vyšších harmonických v napájacom vedení bez potreby použitia prídavných komponentov. Ako pracuje konvenčný pohon so šírkovo-impulznou moduláciou (ŠIM)? Na pochopenie problematiky rušenia vyššími harmonickými a riešenia následných problémov treba najprv porozumienť princípu činnosti konvenčného riadenia pohonu metódou ŠIM. Takto konvenčne riadený pohon pozostáva zo 6-pulzného diódového usmerňovača, kondenzátora v jednosmernom vedení, striedača na báze IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) a mikropočítačovej riadiacej jednotky. Diódový usmerňovač sa používa na prevod striedavého napájacieho napätia na konštantné jednosmerné napätie. Kondenzátor v jednosmernej časti pôsobí ako filter; vyhladzuje jednosmerné napätie a pomáha ho udržiavať na konštantnej hodnote. Striedač sa používa na prevod jednosmerného napätia na premenlivé 3- fázové výstupné napätie s variabilnou frekvenciou na reguláciu otáčok a krútiaceho momentu indukčného motora a na zabezpečenie dostatku energie pre dosiahnutie požadovaných dynamických vlastností pohonu. Riadiaca jednotka sa používa na kontrolu činnosti striedača ako aj na vektorové riadenie magnetického toku na dosiahnutie optimálnych dynamických vlastností indukčného motora. Takýto typ pohonu je veľmi vhodný pre aplikácie s konštantným záťažným momentom s vysokými požiadavkami na dynamické vlastnosti ako aj pre aplikácie s rýchlou reguláciou otáčok alebo polohy. Takýto typ pohonu sa často používa aj pre aplikácie v oblasti VVK aj napriek tomu, že tu nie sú kladené náročné požiadavky z hľadiska dynamických vlastností ani preťažiteľnosti. Aké problémy spôsobujú vyššie harmonické? Striedavý prúd s obsahom vyšších harmonických vytvára na impedancii napájacieho systému príslušné napäťové úbytky, ktoré ovplyvňujú tvar vlny napätia. Keďže sa takéto deformované napájacie (sieťové) napätie dostáva aj k ostatným elektrickým spotrebičom spôsobuje to, že cez ich ináč lineárne záťažné odpory (z hľadiska siete) pretekajú prúdy s obsahom vyšších harmonických. Napríklad ak má systémové napájacie napätie výraznú zložku 5. harmonickej a takéto napätie sa privedie na indukčný motor, cez motor tečie prúd s určitou zložkou 5. harmonickej.

3 3 VÝSLEDNÉ RUŠENIE VYŠŠÍMI HARMONICKÝMI Tok energie v blokovej schéme pohonu so šírkovo-impulznou reguláciou Frekvenčné spektrum prúdu až do 13 základnej harmonickej, typické pre pohon s reguláciou metódou ŠIM, so 6- pulzným usmerňovačom

4 Problém vyšších harmonických v aplikáciách VVK Spoločné problémy, spôsobené vyššími harmonickými Vyššie harmonické môžu spôsobiť v zariadení veľa problémov. Môžu zapríčiniť prídavný ohrev motorov ako aj väčšie efektívne hodnoty prúdov, ktoré tečú cez transformátory a napájacie zariadenia (vedenia). Môžu spôsobiť ohrozenie činnosti / poruchu rôznych prístrojov, počítačov a komunikačných systémov. Môžu zapríčiniť prídavné náklady z dôvodu potreby predimenzovania transformátorov, aby sa prispôsobili predpokladaným požiadavkám zo strany záťaže, čo sa zasa premieta naspäť na dimenzovanie napájacích vedení. Aké vyššie harmonické obsahuje prúd vedenia Charakteristickou vlastnosťou 6- pulzného diódového usmerňovača je, že odoberaný prúd z napájacieho vedenia je nelineárny, čo znamená, že časový priebeh prúdu nie je sínusový. Je to spôbené tým, že diódy usmerňovača môžu viesť elektrický prúd (sú otvorené) iba vtedy, keď je okamžitá hodnota napájacieho napätia väčšia ako hodnota jednosmerného napätia na jednosmernom vedení za usmerňovačom. Keďže toto jednosmerné napätie je udržiavané na vysokej a približne konštantnej úrovni pôsobením zapojeného kondenzátora, diódy vedú prúd (v každej polvlne napájacieho napätia) iba v blízkosti špičky vstupného napájacieho napätia. To zapríčiňuje, že prúd je časovo obmedzený, má tvar periodických impulzov s vysokou amplitúdou, ktoré sú potrebné na nabíjanie kondenzátorov. Výsledný striedavý prúd odoberaný z napájacieho systému má vysoký podiel vyšších harmonických. Na vstupnej svorke pohonu so štandardným riadením metódou ŠIM môže byť celkové skreslenie vyššími harmonickými (THD) v rozsahu 120 až 130%. Vplyv vyšších harmonických možno vidieť na časovom priebehu prúdu. Základný problém: Spektrum vyšších harmonických : Všetky periodické priebehy môžu byť reprezentované ako súčet sínusových zložiek, pozostávajúci zo zložky so základnou frekvenciou ( základná harmonická ) a rôznych iných zložiek (s rôznymi amplitúdami a frekvenciami). Frekvenčné spektrum striedavého prúdu v obvode so 6- pulzným usmerňovačom (diódovým mostíkom) je charakteristické obsahom zložiek s frekvenciami (6n ± 1) násobkom základnej frekvencie, pričom n je celé kladné číslo ( integer ). To znamená že pri základnej frekvencii 60 Hz (v Európe 50 Hz) obsahuje prúd zložky s 5x60, 7x60, 11x60, 13x60 atď. Amplitúta každej zložky závisí od impedancie striedavého napájacieho systému, od veľkosti kondenzátora (v js- obvode) a od zaťaženia indukčného motora. Pri pohonoch so štandardnou ŠIMreguláciou dominujú 5. a 7. harmonická.

5 5 Typické metódy na redukciu vyšších harmonických Doporučené smernice IEEE 519 uvádzajú návody na navrhovanie elektrických systémov s lineárnymi aj nelineárnymi záťažami. Definujú povinnosť, že užívatelia nesmú ovplyvňovať spoločné napájacie napätie, slúžiace aj pre iných užívateľov neúmerným odberom nelineárneho prúdu (s vyšším podielom vyšších harmonických). Taktiež definujú povinnosť dodávateľa zásobovať užívateľov napätím čo možno čisto sínusovým priebehom. Doporučené smernice definujú obmedzenia ohľadne veľkosti podielu vyšších harmonických v mieste odberu v mieste spoločného pripojenia viacerých užívateľov ako aj obmedzenia z hľadiska veľkosti rušenia napájacieho napätia v dôsledku pôsobenia prúdu s obsahom vyšších harmonických. Doporučené smernice ovplyvňujú návrh elektrických systémov v oblasti VVK pri použití pohonov so šírkovo-impulznou reguláciou. a niekedy treba na splnenie uvedených požiadaviek realizovať korekčné opatrenia. V prípade ŠIMregulácie pohonov to znamená vyššie náklady, pretože na potlačenie 5. a 7. harmonickej sa často používajú zapojenia s prídavnou tlmivkou v striedavom napájacom vedení a/alebo v jednosmernom medziobvode.. Časový priebeh (tvar) prúdu Ak sa meria na vstupnej svorke pohonu so ŠIMreguláciou a s 6- cestným usmerňovačom, celkové skreslenie (THD) môže byť do 150%.

6 Pohon SED2 so ŠIM redukuje vyššie harmonické v napájacom vedení bez použitia tlmiviek vo vstupnom obvode alebo v js- medziobvode Divízia Výrobky VVK (HVAC-Product) firmy Siemens Building Technologies uvádza v súčasnosti produkt SED2, nový typový rad pohonov s frekvenčnou reguláciou otáčok, navrhnutý špeciálne pre trh HVAC. Typickými aplikačnými oblasťami tohto pohonu sú ventilátory a čerpadlá s premenlivým zaťažovacím krútiacim momentom. Tieto pohony boli navrhnuté s obmedzenou preťažiteľnosťou, nedovoľujú činnosť motora nad menovitými otáčkami a používajú novú metódu redukcie podielu vyšších harmonických v napájacom vedení bez potreby zapojovania prídavných komponentov. už nie je v tvare takých úzkych impulzov s veľkou amplitúdou ako to bolo predtým a doba otvorenia usmerňovacej diódy je cca 120 (elektrických). Výsledný napájací prúd SED2 je približne rovnaký ako u pohonov so štandardnou ŠIM- reguláciou, vybavených prídavnými tlmivkami v striedavom napájacom obvode resp. jednosmernom medziobvode. Riadiace jednotka ešte pred výpočtami pre vektorové riadenie najprv realizuje výkonný nový algoritmus na kompenzáciu vplyvom nižšej úrovne js- napätia medziobvodu a jeho väčšieho zvlnenia na zabezpečenie plynulej a tichej činnosti motora ventilátora alebo čerpadla. Keďže pohon v aplikácii VVK nepožaduje vysokú preťažiteľnosť, pri návrhu pohonu SED2 bol tento fakt využitý na podstatné zníženie hodnoty kondenzátora v js- medziobvode; typicky na 2% hodnoty kondenzátora u pohonov s konvenčnou ŠIM- reguláciou. To znamená zníženie úrovne napätia js- medziobvodu, jeho väčšie zvlnenie v porovnaní s konvenčným riešením a následne dlhšiu periódu vodivosti usmerňovacích diód. Vstupný prúd SED2 Záver: Výsledky testov preukázali schopnosť SED2 podstatne redukovať harmonické zložky nižších rádov v striedavom napájacom prúde bez potreby použitia prídavných komponentov. Pritom sa dosahujú zhodné alebo lepšie vlastnosti ako u pohonov s konvenčnou ŠIM- reguláciou, ktoré používajú prídavné cievky alebo tlmivky.

7 7 Porovnanie spektra vyšších harmonických až do 13- násobku základnej harmonickej V testoch medzi pohonom s typickou ŠIM a 6-pulzným usmerňovačom a pohonom SED2 VFD preukázal SED2 podstatné potlačenie 5. a 7. základnej harmonickej. 6- pulzný ŠIM- pohon SED2 Typický 6- pulzný ŠIM- pohon Porovnanie priebehov prúdu typického pohonu so ŠIM- reguláciou a 6- pulzným usmerňovačom a pohonu SED2 Celkové skreslenie vyššími harmonickými (THD) u pohonov so štandardnou ŠIM- reguláciou a 6- pulzným usmerňovačom môže bez akejkoľvek filtracie (napr. tlmivka v napájanie alebo v medziobvode) prekročiť 120%. SED2 generujte THD iba 29%. Porovnanie redukcie THD V porovnávacom teste medzi pohonom s typickou ŠIM a 6-pulzným usmerňovačom s a bez tlmiviek v striedavom a jsobvode a pohonom SED2 VFD (s reguláciou otáčok), preukázal Siemens Easy Drive vynikajúce vlastnosti z hľadiska vplyvu vyšších harmonických. V typických VVK (HVAC-) aplikáciách môže SED2 VFD redukovať vyššie harmonické až o 25% viac ako iné konvenčne riadené pohony s obmedzovacími tlmivkami.