Harmonické znečištění

Harmonické – lepší prevence než náprava

Harmonické generované regulovanými pohony jsou určitou formou znečištění elektrické sítě závodu, které může způsobit vážné problémy. Symptomy jsou různorodé: od blikajícího osvětlení až po explodující kondenzátory. Nikdy by však neměly být ignorovány. Odhalení, že máte problémy s harmonickými, je prvním velkým krokem k nápravě. V tomto článku Mauri Peltola, ředitel marketingu ABB Industry Oy, Drives, Helsinky, Finsko, vysvětluje, jak regulované pohony generují harmonické a jak lze tomuto problému předcházet.

Znečištění ovzduší, znečištění moří, znečištění toků. Všechna jsou snadno viditelná a jejich zdroj lze často snadno určit. Jsou ale i jiné druhy znečištění, která nejsou viditelná, mohou být velmi škodlivá a navíc, i když jsou symptomy jasně viditelné, může být obtížné je diagnostikovat. Právě takovýmto znečištěním je harmonické zkreslení napájecích sítí – jev, před kterým se musíme pečlivě chránit.

Zkreslení napájecí sítě může mít za následek závažné škody. Transformátory se mohou přehřát, ačkoli mohly být správně dimenzovány nebo dokonce předimenzovány vzhledem k očekávané zátěži, a může být zničena izolace. Kabely se mohou přehřát s následným zničením izolace. Rovněž motory se mohou přehřát a nebo se mohou stát hlučnými a oscilace momentu v rotoru může vést k mechanické rezonanci a škodlivým vibracím. Kapacitory se přehřívají a v nejvážnějších případech hrozí riziko exploze při průrazu dielektrika. Elektronické displeje a svítidla mohou blikat, jističe mohou rozepnout, mohou selhat počítače a měření dává nepravdivé výsledky.

Často není příčina problémů nalezena a podniknuté kroky k nápravě, jako instalace dodatečného chlazení a větší rezerva při dimenzování transformátorů, kabelů a kapacitorů, mohou zmírnit problém, ale neeliminují příčinu. Takové kroky jsou často nákladné a nesystematické.

Jestliže čelíte právě popsaným symptomům a nevidíte žádnou zjevnou příčinu, problémem pravděpodobně jsou harmonické.

Co dává vzniknout harmonickým?
Nelineární zátěže připojené k elektrickému zdroji vyvolávají harmonická zkreslení. Běžné nelineární zátěže zahrnují motorové spouštěče, regulované pohony, počítače a jiná elektronická zařízení, elektronické osvětlení, svařovací zařízení a UPS. Z těchto zařízení asi největší pozornost vyžadují regulované pohony, částečně kvůli přísným normám, v nedávné době uvedeným v platnost. Další normy pro průmyslová prostředí pravděpodobně budou následovat v blízké budoucnosti.

Všechny výkonové měniče, používané v rozličných typech regulovaných pohonů, mohou zvýšit rušení napájecí sítě zkreslením průběhu napájecího proudu injektáží harmonických do napájecí sítě. Na obr. 2 je naznačeno, jak harmonické proudu (ih) v napájecím proudu (is) výkonového měniče ovlivňují napájecí napětí. Vnitřní impedance primární sítě transformátoru je odhadnuta jako nulová, ale vlivem impedance napájecího transformátoru (reprezentované R_s a L_s) bude průběh napětí (u) v bodě připojení k ostatním zátěžím zkreslen.

Teoretické amplitudy harmonických proudů vyvolaných ideálním šestipulsním usměrňovačem jsou nepřímo úměrné pořadí harmonické. Takže např. pátá harmonická je pětinou amplitudy základní harmonické (obr. 3). Avšak takovéto obvody nejsou ideální a v praxi jsou amplitudy rozdílné, zpravidla vyšší.

Filtrace je efektivní léčbou
Aby zařízení pracovala správně, je po dodavatelích elektrické energie požadována dodávka dostatečně sinusového napětí. Jsou–li na rozvodnou síť připojeny nelineární zátěže, dodavatel má dvě možnosti, jak zabezpečit dostatečnou kvalitu napětí. Za prvé může dodavatel filtrovat proudová zkreslení, a tak předejít jejich toku přes napájecí transformátor k dalším zátěžím. Za druhé může stanovit limity na úroveň harmonických, které mohou odběratelé generovat do sítě.

Filtrace může být velmi efektivní, ale vyžaduje investice na straně dodavatele elektrické energie. Jsou dva základní způsoby filtrace: pasivní a aktivní.

Pasivní filtry obsahují sérii obvodů LC laděných na harmonickou, kterou mají odfiltrovat. Spojením několika takovýchto filtrů paralelně může být blok filtrů konstruován tak, že odfiltruje všechny problematické harmonické. Aktivní filtr představuje dodatečný výkonový elektronický měnič připojený k nelineární zátěži. Vstupní proud měniče je řízen tak, aby produkoval stejné úrovně harmonických jako nelineární zátěž, avšak v opačné fázi. Tyto dvě úrovně harmonických se v bodě spojení navzájem eliminují.

Minimalizace harmonických
Aby uživatelé pohonů mohli splnit požadované normy, měli by výrobci vyrábět takové pohony a poskytovat takové expertní rady, aby bylo minimalizováno produkované zkreslení.

Ačkoli by bylo možné vyfiltrovat všechny harmonické v místě vzniku, nebo ještě lépe zařídit, aby nevznikaly vůbec, přineslo by to značné, dokonce neakceptovatelné dodatečné náklady.

Vhodné vodítko pro zvážení míry vlivu měniče na napájecí soustavu je zkratové číslo uváděné v normách. Zkratové číslo je definováno jako poměr zkratového výkonu v bodě připojení k zdánlivému výkonu měniče.

Uživatelé s malým zkratovým číslem (zkreslení sítě od těchto uživatelů je v místě připojení největší) budou obecně subjekty s přísnějšími limity povolených emisních úrovní harmonických proudů, než budou mít ti s vyššími zkratovými čísly.

Zkratové číslo může být rychlým pravidlem pro odhad zranitelnosti vašeho závodu emisemi harmonických. Je třeba vzít zkratový výkon sítě (velikost úrovně zkratových proudů) v bodě, v němž jsou připojeny pohony, a dělit jej součtem instalovaného výkonu regulovaných pohonů. Je-li výsledné číslo větší než 200, riziko vlivu harmonických je malé, mezi 200 a 100 je riziko střední, zatímco pod číslem 100 je riziko již vysoké.

Například 30MV·A vn/nn transformátor má 10% napětí nakrátko, což vede k přibližnému zkratovému výkonu 300 MV·A na vn svorkách. Je-li celkový instalovaný výkon regulovaných pohonů 1 MV·A, je poměr vyšší než 200, a tudíž riziko vlivu harmonických je malé.

Výběr správného typu pohonu
Na velikost harmonických generovaných do sítě nemá příliš velký vliv typ výstupního měniče použitého v pohonu. Naopak na velikost generovaných harmonických má značný vliv velikost motorické zátěže a konfigurace vstupního měniče (usměrňovače) pohonu a stejnosměrného meziobvodu.

Je-li motorická zátěž relativně malá vzhledem ke zkratovému výkonu napájecí sítě, může být problém harmonických obecně eliminován výběrem frekvenčního měniče s účinnou filtrací stejnosměrného meziobvodu.

Měnič s pulsně šířkovou modulací (PWM) a se šestipulsním usměrňovačem
Napěťový měnič s pulsně šířkovou modulací se skládá z usměrňovače, stejnosměrného meziobvodu a střídače. Usměrňovač konvertuje vstupní střídavé napětí s konstantní frekvencí na stejnosměrné, které se naopak přeměňuje ve střídači na střídavé napětí s proměnnou frekvencí. Funkcí stejnosměrného meziobvodu je vyhlazovat stejnosměrné napětí pro dobrou funkci střídače.

Nejběžnějším usměrňovačem v trojfázovém frekvenčním měniči PWM je šestipulsní diodový můstek, jak je vidět na obr. 4. Ten je tvořen šesti diodami a induktorem, což spolu s kapacitorem představuje nízkofrekvenční propust určenou k vyhlazení proudu. Induktor může být umístěn na stejnosměrné nebo střídavé straně, nebo může být vypuštěn zcela, přičemž k vyhlazení může sloužit vstupní tlumivka na místě připojení k síti. Tento typ usměrňovače je robustní a levný, ale vstupní proud obsahuje nezanedbatelné harmonické nízkého pořadí. Z toho plyne: jestližě většinu zátěže transformátoru tvoří takovýto typ měničů, napájecí transformátor musí být předimenzován a mohou nastat problémy se splněním předpisů. Proto může být požadován nějaký způsob filtrace harmonických. Přes všechny negativní vlivy na napájecí soustavu zůstane zřejmě šestipulsní frekvenční měnič PWM v průmyslových aplikacích po nějakou dobu dominantní.

Dvanáctipulsní technologie
Od určitého výkonu, řekněme nad 500 kW, je vhodné uvážit, zda není vhodnější použít nákladnější střídač s dvanáctipulsním vstupním usměrňovačem, který eliminuje určité harmonické, na rozdíl od měniče s šestipulsním vstupním usměrňovačem.

Napájecí transformátor má dvě sekundární vinutí, každé pro napájení šestipulsního usměrňovače. Tím, že jsou sekundární vinutí fázově proti sobě posunuta o 30°, eliminují sekundární proudy na primární straně, např. 5., 7., 17. a 19. harmonickou. To vede ke snížení celkového harmonického zkreslení (THD) pod čtvrtinu THD šestipulsního zapojení. Doplněním induktoru na střídavou nebo stejnosměrnou stranu lze vyhladit průběh proudu dokonce více, je-li to požadováno.

Nevýhodou tohoto typu pohonů je, že vyžadují speciální napájecí transformátor. U instalací většího výkonu však bývá zpravidla použit samostatný napájecí transformátor pro každý pohon. Pro menší výkony jsou pořizovací náklady relativně vysoké, ale i tak někteří zákazníci budou takovýto typ pohonu požadovat, jestliže hledisko nízkého harmonického zkreslení bude mít vysokou prioritu.

Zvláště při velkých výkonech bývají dodatečná technická řešení (instalace cívek či filtrů) nákladná nebo nerealizovatelná a převyšují cenu dvanáctipulsního střídače a třívinuťového transformátoru.

Role induktoru ve stejnosměrném meziobvodu
Pohony s větší induktancí produkují méně proudových harmonických do sítě. Proto je efektivním způsobem, jak snížit harmonické, použití velkého induktoru ve stejnosměrném meziobvodu nebo střídavého induktoru na vstupu usměrňovače.

Důležitost induktance je demonstrována na obr. 5, který ukazuje, jak různé harmonické proudy klesají s narůstající induktancí. Diagram vychází z instalace na napětí 415 V, 50 Hz s maximální hodnotou 1 150 na ose x, reprezentující jmenovitou zatěžovací impedanci. Na desetině této hodnoty je THD ještě kolem 30 %, ale kolem 1 % jmenovité impedance THD již prudce vzrůstá. Výběrem induktoru většího než přibližně 20 mH na jeden kilowatt výkonu motoru může být dosaženo méně než poloviny celkového harmonického proudu. Není-li použit žádný induktor, proudové zkreslení může dosáhnout až 130 % první harmonické proudu.

Pro mnoho inženýrů jsou harmonické záhadou. Avšak výběrem správného pohonu a využitím expertních rad výrobců může být problém eliminován ještě dříve, než nastane.

Odhad úrovně harmonických
Rychlému odhadu úrovně celkového harmonického zkreslení THD ve vašem systému může pomoci použití nomogramu (obr. 6). Pro jeho aplikaci musí být splněno několik předpokladů:

• k pohonu je připojen motor odpovídajícího jmenovitého výkonu,
• účinnost frekvenčního měniče je 97 %,
• je použit motor se standardní účinností,
• impedance transformátoru odpovídají typickým distribučním transformátorům je 20/0,4 kV,
• impedance nadřazené soustavy je 10 % zkratové impedance distribučního transformátoru.

Všechny uvedené předpoklady jsou přiměřené k uskutečnění hrubého odhadu ve většině případů.

Jestliže však neodpovídají skutečným hodnotám uvažované instalace, může být pro přesný výpočet použit software, např. DriveWare společnosti ABB.

Tab. 1. Porovnání hodnot celkového harmonického zkreslení THD produkovaného různými typy vstupních můstků s praktickým zkratovým poměrem 500