Metody redukcji zaburzeń harmonicznych w układach napędowych prądu przemiennego

Zniekształcenia przebiegów sinusoidalnych napięcia powinny być wytłumione bezpośrednio w układach napędowych o regulowanej prędkości, zanim spowodują dodatkowe problemy poza obrębem przedsiębiorstwa. 

Przebieg prądu prostego napędu prądu przemiennego charakteryzuje się współczynnikiem odkształcenia o wartości ok. 110%

Napędy elektryczne o regulowanej prędkości ze swej natury generują harmoniczne w przebiegach zasilającego je prądu, pobieranego z reguły z trójfazowej sieci sinusoidalnego prądu przemiennego, który przetwarzają w swoich układach regulacji na prąd stały. Z pojęciem harmonicznych oraz metodami ich tłumienia nierozerwalnie związane jest kilka kwestii, o których watro pamiętać:

1. Niezależnie od tego, czy przetwornica częstotliwości wykonana jest z diod, tyrystorów czy też tranzystorów z izolowaną bramką IGBT z diodami zwrotnymi, wszystkie one generują pewne harmoniczne w procesie załączania i wyłączania, na skutek czego przebieg sinusoidalny prądu zasilającego odkształca się.

2. Harmoniczne prądu powodują zniekształcenie przebiegów napięcia w liniach zasilających, przyłączonych do przetwornicy.

3. Zniekształcenia przebiegów napięciowych mogą być również spowodowane przez załamania komutacyjne, powstające w niektórych typach przetwornic.

W porównaniu z silnikami prądu stałego napędy zmiennoprądowe powodują znacznie mniej problemów związanych z generacją harmonicznych. Jednakże nieprawidłowo zaprojektowane aplikacje mogą przyczynić się do nieprawidłowego funkcjonowania sprzętu w sieciach dystrybucyjno-rozdzielczych oraz uszkodzeń innych odbiorników energii przyłączonych do tej samej sieci zasilania.

Identyfikacja sprawcy

W związku z tym, że liczba działających układów napędowych wciąż wzrasta, wśród techników pojawiło się błędne przekonane, że to właśnie one są główną przyczyną powstawania harmonicznych w sieciach zasilających i związanych z nimi problemów. Każde urządzenie dokonujące w sobie operacji prostowania prądu przemiennego na stały, powoduje powstawanie zniekształceń harmonicznych; mowa tu zarówno o większości urządzeń przemysłowych, jak i popularnych urządzeniach biurowych (zasilacze impulsowe w komputerach, ładowarki telefonów czy kopiarki dokumentów). Harmoniczne wytwarzane są nawet przez tzw. balasty (dodatkowe układy elektroniczne) w lampach fluorescencyjnych. To właśnie dlatego tak istotna jest kwestia dokładnej analizy wszystkich odbiorników elektrycznych, stwarzających potencjalne niebezpieczeństwo wystąpienia problemów w całym systemie zasilania, którą należy koniecznie przeprowadzić przed zbyt pospiesznym i pochopnym instalowaniem układów filtrujących przy każdym napędzie w zakładzie.

Jak już wspomniano, w rzeczywistości napędy prądu przemiennego powodują bardzo niewiele problemów związanych z generacją harmonicznych do sieci. Problemy te mają najczęściej postać nadmiernego nagrzewania się transformatorów i przewodów zasilających silniki, jeżeli ich projektant nie uwzględnił wcześniej możliwości pojawienia się dodatkowych prądów w sieci zasilania, związanych właśnie z harmonicznymi. Możliwe jest wówczas przedwczesne przepalenie się bezpieczników lub też wyłączenie elementów zabezpieczających obwody zasilania (wyłączniki automatyczne, powodujące przerwę w obwodzie).

Harmoniczne powodują odkształcenia przebiegu napięcia w linii zasilającej, które mogą powodować nieprawidłowe funkcjonowanie innych urządzeń podłączonych do tej samej linii: przyciemnienie światła lub nadmierne nagrzewanie się napędów.

Niektóre rodzaje urządzeń, jak silniki prądu przemiennego czy przekształtniki częstotliwości, oprócz harmonicznych mogą generować również tzw. załamania komutacyjne. Takie zaburzenia bardzo łatwo mogą doprowadzić do nieregularnej pracy innych urządzeń znajdujących się w zakładzie. Objawiają się one nieprawidłową pracą urządzeń, które dotychczas pracowały wręcz perfekcyjnie, choć jednocześnie wydawać się może, że np. cały proces produkcyjny i przetwórczy w zakładzie petrochemicznym nadal funkcjonuje poprawnie.

Dlatego też projektując nowy system lub zwiększając liczbę napędów o regulowanej prędkości w już istniejącej sieci zasilania projektant musi wziąć pod uwagę możliwość powstania harmonicznych, które mogą być generowane przez każde z planowanych do wykorzystania urządzeń i rozważyć ich wpływ na funkcjonowanie sieci zasilania w całym zakładzie.

Dławik na linii zasilającej powoduje zmniejszenie współczynnika zniekształceń przebiegu prądu do wartości ok. 50%, jednakże może powodować obniżenie wartości napięcia w obwodzie prądu stałego przetwornicy częstotliwości

Spełnienie standardów przemysłowych

Międzynarodowa norma IEEE 519-1992 ?Wymagania i zalecane środki eliminacji harmonicznych w systemach elektrycznych? (IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems) zawiera liczne wskazówki i zalecenia, pozwalające na zmniejszenie prawdopodobieństwa wystąpienia problemów w funkcjonowaniu urządzeń elektrycznych w wyniku pojawienia się harmonicznych w sieci zasilającej. Rozdział 10. tego standardu omawia ?Działania i środki zalecane dla klientów indywidualnych?, zestawiając je w postaci dwóch tabel, w których uwzględniono większość możliwych aplikacji przemysłowych. 

Bierny filtr harmonicznych powoduje zmniejszenie współczynnika zniekształceń przebiegu prądu do wartości ok. 8% dla napędów o mocy poniżej 110 kW 

Tabela na str. 44 zatytułowana ?Klasyfikacja układów niskiego napięcia i odpuszczalne dla nich poziomy zniekształceń? zawiera wskazówki dotyczące dopuszczalnych limitów zniekształceń przebiegów napięciowych oraz załamań komutacyjnych, mierzonych w dowolnym miejscu zakładowej sieci zasilania, w której połączone są liniowe i nieliniowe odbiorniki, po stronach wtórnych transformatorów oraz w miernikach zainstalowanych na liniach zasilania.

Jeżeli na przykład transformator zasila tylko napędy prądu stałego, w takim przypadku dopuszczalne są zniekształcenia przebiegu napięciowego rzędu do 10%, które nie wpływają jeszcze niekorzystnie na pracę takich odbiorników. Jednakże, jeżeli do linii zasilającej przyłączone są również napędy zmiennoprądowe lub inne odbiorniki liniowe i nieliniowe, wówczas zniekształcenia nie powinny przekraczać 5%. W szpitalach i portach lotniczych, gdzie głównym priorytetem jest bezpieczeństwo człowieka, dopuszczalny poziom zniekształceń wynosi 3%.

Omawiany standard określa również dopuszczalne parametry załamań komutacyjnych, tak by ograniczyć prawdopodobieństwo niewłaściwego funkcjonowania innych odbiorników przyłączonych do wspólnej sieci zasilającej.

Poza wytycznymi dotyczącymi odkształceń przebiegów napięcia standard IEEE 519 określa również dopuszczalne poziomy odkształceń przebiegów prądu, stanowiące treść tabeli zatytułowanej ?Dopuszczalne granice zniekształceń przebiegów prądu w sieciach zasilających? (str. 46). Chodzi tu o graniczne wartości zniekształceń przebiegów prądowych mierzonych na linii łączącej zakład dystrybucji energii a konkretnego klienta (zakład), nie zaś o prądy mierzone w bezpośredniej bliskości zasilanych urządzeń czy odbiorników. Tak właśnie zdefiniowano w standardzie tzw. punkt wspólnego przyłączenia (PCC). 

Zastosowanie układu AFE pozwala na największą redukcję wartości współczynnika zniekształceń przebiegu prądu do poziomu ok. 5%

W zamierzeniu standard ten ma dostarczyć odpowiednich wskazówek i zaleceń dla dostawców i odbiorców energii. Dzięki wprowadzeniu odpowiednich ograniczeń możliwe jest uzyskanie stanu, w którym każdy klient może podłączyć swoje urządzenia w zakładzie do ogólnodostępnej sieci zasilania, cechującej się relatywnie niskim współczynnikiem odkształcenia wartości napięcia i prądu od wartości znamionowych. Przy zastosowaniu przepisów standardu żaden z użytkowników sieci zasilania nie może wprowadzić do niej harmonicznych czy innych niekorzystnych zaburzeń, powodujących niewłaściwe funkcjonowanie urządzeń u innych odbiorców. Nawet jeżeli zalecenia standard IEEE 519 nie są rozumiane w znaczeniu standardowych parametrów przy konstrukcji urządzeń, to jednak wielu konstruktorów uwzględnia je w swoich założeniach, szczególnie przy konstrukcji odbiorników nieliniowych lub napędów z regulacją prędkości. W praktyce oznacza to, że klient może zapłacić więcej za filtrowanie harmonicznych i dostosowanie urządzeń do wymogów standardu IEEE 519.

Wybór odpowiednich metod redukcji zaburzeń harmonicznych

Aby ograniczyć lub złagodzić poziom zaburzeń harmonicznych generowanych przez odbiorniki, takie jak regulowane napędy prądu przemiennego, dostępne są różnego rodzaju metody i środki zapobiegawcze. Zazwyczaj bazują one na redukcji harmonicznych i zniekształceń przebiegu napięciowego, jednakże pośrednio wpływają również na inne aspekty czy parametry działania układów napędowych.

Podstawowy, najprostszy napęd prądu przemiennego. Dla porównania rozważmy najprostszy napęd prądu przemiennego jako układ złożony z trójfazowego prostownika diodowego, baterii kondensatorów w obwodzie prądu stałego oraz trójfazowego falownika z tranzystorami IGBT. Układ taki nie zawiera żadnych dławików zarówno w obwodzie prądu stałego, jak i przemiennego. Przebieg prądu dla takiego napędu przedstawia wykres: ?Prąd w prostym napędzie prądu przemiennego? (str. 41). Współczynnik jego odkształcenia (THD) wynosi w praktyce 110%.

Dławiki w linii zasilającej. Najłatwiejszą i najtańszą metodą redukcji poziomu zaburzeń harmonicznych przebiegu prądowego jest dołączenie 3% dławików przed każdym tego typu napędem lub też grupą trzech napędów. Takie działanie przyczyni się do ograniczenia poziomu współczynnika odkształcenia przebiegu prądu na skutek harmonicznych do około 50% i umożliwi uzyskanie kształtu przebiegu w postaci przedstawionej wykresie: ?Przebieg prądu w napędzie zmiennoprądowym dławikami 3%?. Wadą takiego rozwiązania jest jednak fakt, iż dławiki powodują pojawienie się w obwodzie zasilania silnika składowej stałej, powodującej ograniczenie obciążalności napędu i jego prędkości. Zazwyczaj 3% dławik powoduje również 3% obniżenie wartości napięcia przy pełnej znamionowej prędkości silnika i jego znamionowym obciążeniu. Oznacza to, iż napęd pracujący przy znamionowej prędkości i obciążeniu nie otrzymuje z sieci zasilania napięcia o znamionowej wartości, co powoduje wzrost wartości poślizgu wirnika i zaburzenia przebiegu prądowego, w konsekwencji czego silnik bardziej się nagrzewa. Jeżeli nie jest wymagane osiągnięcie prędkości o wartości wyższej niż 97% prędkości znamionowej przy pełnym obciążeniu (znamionowym) lub napięcie linii zasilającej jest nieco wyższe od znamionowego, wówczas opisany wyżej problem nie ma znaczenia. Warto jednak pamiętać, że np. dławik 5% powoduje ograniczenie obciążalności o ok. 5%.

Dławiki w obwodzie prądu stałego. Dławiki obwodu prądu stałego są umieszczone pomiędzy wyjściem prostownika a baterią kondensatorów, podłączoną do obwodu prądu stałego. Obniżają one współczynnik zniekształcenia przebiegu prądowego do poziomu ok. 40% i jednocześnie nie powodują obniżenia wartości napięcia w obwodzie prądu stałego przy znamionowej prędkości i obciążeniu. Wielu producentów napędów zmiennoprądowych umożliwia zastosowanie takich dławików jako rozwiązanie opcjonalne lub też standardowo instaluje je w swoich produktach. Większość napędów o mocy większej niż 3,5 kW ma wbudowane dławiki w obwodach prądu stałego.

Bierne filtry harmonicznych. Bierne filtry harmonicznych są niezwykle popularnym rozwiązaniem umożliwiającym ograniczenie zaburzeń harmonicznych prądu, a dla napędów o mocach do 110 kW są dodatkowo rozwiązaniem korzystnym z punktu widzenia ekonomicznego.

Filtr bierny, czyli odpowiednio dobraną baterię kondensatorów, można postrzegać jako układ ?gromadzący? harmoniczne prądowe powstające w czasie przetwarzania energii elektrycznej w przetwornicy. W związku z tym, że taki filtr ?oczyszcza? prąd odbiornika, zasilający go transformator nie ulega nadmiernemu przegrzaniu i zmniejszone są również zniekształcenia przebiegu napięcia zasilającego. Zastosowanie filtrów biernych umożliwia ograniczenie współczynnika zniekształceń przebiegu prądowego do poziomu ok. 8% i uzyskanie jego kształtu w postaci przedstawionej na wykresie: ?Przebieg prądu w prostym napędzie zmiennoprądowym przy zastosowaniu biernego filtru harmonicznych?.

Wady filtrów biernych w największym stopniu ujawniają się wówczas, gdy napędy muszą pracować z niewielkimi prędkościami obrotowymi lub przy małych obciążeniach w długich okresach czasu. W takim przypadku filtr bierny powoduje obniżenie wartości współczynnika mocy (przy przebiegu prądu wyprzedzającym przebieg napięcia w transformatorze), powodując jego nadmierne nagrzanie. Problem ten może mieć również znaczenie w przypadku zasilania danego napędu zmiennoprądowego z generatora rezerwowego. W celu częściowego choćby skompensowania tego szkodliwego zjawiska niektórzy dostawcy filtrów dostarczają specjalny wyłącznik, umożliwiający automatyczne odłączenie baterii kondensatorów (filtru), gdy tylko stwierdzony zostanie fakt pracy silnika z niską prędkością lub jego zatrzymania. Przy pełnym, znamionowym obciążeniu silnika współczynnik mocy układu napędowego jest bliski jedności. Jednakże przed dołączeniem np. 10 lub więcej napędów z filtrami biernymi do transformatora zasilającego warto ustalić z dostawcą tych filtrów, czy w takim przypadku nie wystąpi między nimi niekorzystne zjawisko rezonansu napięć lub prądów. 

Dane na podstawie standardu IEEE 519 określające dopuszczalne limity wartości zniekształceń, głębokość i powierzchnię załamań komutacyjnych w rożnych aplikacjach

Aktywne filtry harmonicznych. Aktywne filtry harmonicznych są dobrym rozwiązaniem dla pojedynczych napędów, ale najlepiej sprawdzają się jako układy ograniczające generację harmonicznych do sieci w wielonapędowych systemach lub całych zakładach przemysłowych. Wówczas taki filtr wytwarza prądy przeciwharmonicznych zależnie od sygnałów sterujących otrzymywanych ze wszystkich napędów i może w sposób aktywny reagować na zachodzące zmiany tych sygnałów w trakcie pracy napędów. Dzięki temu typowe filtry aktywne umożliwiają uzyskanie współczynników odkształcenia przebiegu prądowego na poziomie do 5%. Filtry aktywne nie powodują również radykalnego spadku współczynnika mocy przy braku obciążenia układu napędowego. Kiedy silnik zatrzymuje się i nie jest konieczne wytwarzanie sygnałów przeciwharmonicznych, sygnały wyjściowe takiego filtru automatycznie przyjmują wartości zerowe. W praktyce ten typ filtru nie ma żadnych wad.

Układy wielopulsowe. Przez wiele dziesięcioleci transformatory były i są wykorzystywane jako przesuwniki fazowe. Popularnymi urządzeniami stały się na przykład przetwornice 18-pulsowe, ponieważ dzięki nim można w łatwy sposób zredukować poziom współczynnika odkształcenia przebiegu prądowego poniżej 5%. Układy wielopulsowe mogą mieć transformatory nawijane jako tzw. autotransformatory lub transformatory izolowane. Autotransformatory są tańsze i mają mniejsze gabaryty w porównaniu z odpowiednikami izolowanymi; ostatnio straciły popularność układy 12-pulsowe, ponieważ dzięki nim możliwe jest osiągnięcie współczynnika odkształcenia przebiegu prądu tyko na poziomie 9-15%. Na rynku dostępne są już urządzenia 24- i więcej pulsowe, pozwalające na obniżenie poziomu współczynnika odkształceń (THD) poniżej 4,5%, jednakże są one znacznie droższe. Do pozytywów stosowania tego typu układów zaliczyć można brak spadku wartości współczynnika mocy napędów przy braku ich obciążenia oraz utrzymywanie się dostatecznych wartości napięcia w obwodzie prądu stałego przetwornicy częstotliwości, praktycznie w całym zakresie dostępnych prędkości i obciążeń napędów. Zastosowanie takich układów jest opłacalne szczególnie przy napędach o mocach powyżej 110 kW.

Transformatory HMT (łagodzące harmoniczne). Transformatory takie mają określone przesuniecie fazowe na poziomie 0, 15, 30 i 45 stopni oraz znajdują zastosowanie szczególnie w układach napędowych, gdzie wiele silników jest łączonych w dwie lub cztery grupy, dla których ogólna moc całej grupy jest podobna. Przy wykorzystaniu dwóch grup silników jedna z nich ma przesunięcie fazowe w zasilaniu na poziomie 0 stopni, a druga na poziomie 30 stopni. Dzięki temu możliwe jest wykluczenie 5 i 7 harmonicznej, podobnie jak przy zastosowaniu transformatora 12-pulsowego. To samo zjawisko ma miejsce przy zastosowaniu przesunięć na poziomach odpowiednio 15 i 45 stopni. W przypadku zastosowania czterech grup napędów i przyporządkowaniu każdej z nich innego przesunięcia fazowego ze wspomnianego wcześniej szeregu możliwe jest wykluczenie 5, 7, 11 i 13 harmonicznej, co przypomina układ z transformatorem 18-pulsowym. Jeżeli niektóre z napędów w grupach są zatrzymane, poziom wykluczenia (złagodzenia) harmonicznych jest nieco mniejszy. Najgorsze warunki pracy takiego układu to moment, gdy wszystkie napędy w grupach są całkowicie (nominalnie) obciążone.     

 Dane na podstawie standardu IEEE 519, określające dopuszczalne limity wartości zniekształceń dla obciążeń o różnych wartościach stosunku Izw/ Iobc w punkcie wspólnego przyłączenia PCC 

Układy AFE (Active Front-End). Układy AFE stanowią zazwyczaj integralną cześć kupowanych napędów, choć mogą być również stosowane jako odrębne moduły do obsługi kilku napędów w ramach wspólnego obwodu stałoprądowego w przetwornicy.

Typowy układ AFE zawiera trójfazowy mostek prostowniczy z tranzystorami IGBT, podobny w swej strukturze do falownika stosowanego w obwodzie zmiennoprądowym typowych napędów prądu przemiennego, wraz z dławikami 10%.

Pracuje on jako dodatkowy przekształtnik i może być pomocny w kontroli i utrzymaniu odpowiedniej wartości napięcia w obwodzie prądu stałego w czasie pracy napędu.

Jeżeli do modulacji tranzystorów IGBT zastosuje się falę nośną o częstotliwości 3 kHz, możliwe jest uzyskanie wykluczenia harmonicznych odpowiadających układowi 50-pulsowemu. Wykorzystanie układów AFE pozwala na obniżenie współczynnika odkształcenia przebiegu prądowego do poziomu ok. 5% i uzyskanie kształtu przebiegu, jak na wykresie: ?Przebieg prądu w linii zasilania napędu z układem AFE?. Konieczne jest jednak zastosowanie odpowiedniego filtru dla załamań komutacyjnych powstających przy procesie modulacji. W przypadku braku takiego filtru powstające załamania komutacyjne mogłyby spowodować problemy w funkcjonowaniu innych urządzeń przyłączonych do tego samego transformatora, zasilającego napęd z układem AFE.

Projektanci systemów napędowych muszą być szczególnie ostrożni i świadomi tego, jaki jest wpływ każdej z metod redukcji zaburzeń harmonicznych na cały system zasilania. Nie wystarczy tu jedynie znajomość pojęcia współczynnika THDI i THDU (prądowy i napięciowy współczynnik odkształcenia przebiegu). W zakładach przemysłowych trzeba wziąć pod uwagę jeszcze możliwość wystąpienia załamań komutacyjnych oraz odkształceń w przebiegu napięcia zasilającego, które powinny mieścić się w określonych granicach tak, by nie spowodować dodatkowych problemów w funkcjonowaniu urządzeń elektrycznych rozmieszczonych w zakładzie.

Z punktu widzenia użytkownika szczególną uwagę należy poświęcić możliwości pojawienia się harmonicznych prądu wytwarzanych przez zasilane układy napędowe i ich utrzymania w określonych, dopuszczalnych granicach, by ich skutki nie były odczuwalne dla innych użytkowników tej samej sieci zasilającej. Takie są podstawowe cele wprowadzonego standardu IEEE 519 oraz działań zapobiegawczych projektantów systemów napędowych.

ce

Artykuł pod redakcją
dr. inż. Andrzeja Ożadowicza,
adiunkta w Katedrze Automatyki Napędu
i Urządzeń Przemysłowych w Akademii
Górniczo-Hutniczej w Krakowie