Coraz powszechniejsze używanie w automatyce napędu elektrycznego układów przekształtnikowych (np. przemienników częstotliwości), pobierających z sieci zasilającej prąd niesinusoidalny, bardzo często prowadzą do znaczącego pogorszenia parametrów napięcia sieci. Duże zniekształcenia prądu i napięcia, określane poziomami współczynnika THDi oraz THDu (Total Harmonie Distortion), powodują dodatkowe straty energii elektrycznej, nagrzewanie się transformatorów zasilających, kabli oraz aparatów łączeniowych, powodując konieczność ich przewymiarowania, wadliwe działanie lub uszkodzenia. Odkształcenia napięcia prowadzą do zaburzenia pracy innych urządzeń zasilanych z takiej sieci, np. silniki zasilane napięciem niesinusoidalnym mają większe straty i gorsze parametry mechaniczne. Dopuszczalne poziomy odkształcenia prądu zawarte są m.in. w normie PN-EN 61000-3-12 i w rozporządzeniu Ministra Gospodarki z 4.05.2007 (szczegółowe warunki funkcjonowania systemu elektroenergetycznego). M.in. dlatego zagadnienia jakości energii elektrycznej muszą być poważnie brane pod uwagę, szczególnie przy instalacji przetwornic częstotliwości dużej mocy jednostkowej lub sumarycznej.

Innym sposobem ograniczenia wartości THDi jest zasilenie odpowiednio do tego przygotowanej przetwornicy (wyposażonej w prostownik nie 6-, a 12-pulsowy) napięciem 6-fazowym. Stosując specjalny, dedykowany dla danej przetwornicy lub grupy przetwornic, transformator zasilający z dwoma uzwojeniami wtórnymi z przesunięciem o 30° elektrycznych, można znacząco ograniczyć dominujące w układach 3-fazowych harmoniczne 5 i 7. Metoda ta pozwala na zmniejszenie poziomu THDi do ok. 11-13%. Ze względu jednak na konieczność stosowania nietypowego transformatora sposób ten jest używany w przypadku przetwornic większej mocy (250 kW i większych). Inną coraz częściej spotykaną metodą redukcji emisji zniekształceń THDi do sieci jest stosowanie równoległych filtrów aktywnych lub szeregowych filtrów pasywnych - nastrojonych na dominującą harmoniczną wyższego rzędu. Pamiętać należy, że stosowanie filtrów pasywnych wiąże się z pewnymi niekorzystnymi zjawiskami, jak np. możliwość przekompensowania sieci przy niskim obciążeniu przetwornicy - filtr działa jak bateria kondensatorów kompensujących. Jednak największe możliwości i korzyści daje zastosowanie przetwornicy częstotliwości wyposażonej we w pełni sterowany mostek prostowniczy oraz filtr LCL - tzw. układ AFE.

Metody redukcji THDi

Dla poprawy współczynnika THDi (odkształcenie prądu pobieranego przez przetwornicę) producenci przetwornic częstotliwości, opracowali różnorodne rozwiązania techniczne. Najprostszym technicznie, ale dającym jednocześnie zadowalające rezultaty, jest zastosowanie dławika. Dławik instalowany może być w torze DC (za prostownikiem) lub na wejściu przetwornicy. Redukcja harmonicznych prądu w obu tych rozwiązaniach jest na podobnym poziomie (dławik AC dodatkowo chroni mostek przetwornicy, kondensatory DC przed przepięciami pochodzącymi z sieci). Stosując dławik, poziom THDi można ograniczyć do ok. 30-40%. Niektórzy producenci przetwornic, redukując koszty przetwornicy, nawet w przemiennikach większych mocy nie stosują dławików jako wyposażenia standardowego. W takich przypadkach zniekształcenia THDi sięgają nawet 80% i więcej.

AFE - Active Front End

Metody opisane powyżej nie zawsze wystarczają, by spełnić coraz wyższe wymagania co do żądanego poziomu THDi i THDu sieci. Rozwiązaniem kompletnym, gwarantującym bardzo niski wsp. THDi, jest przetwornica VACON NXC AFE z w pełni sterowanym wejściowym mostkiem tranzystorowym IGBT. Konstrukcja przetwornicy zawiera dwa osobne moduły mocy, jeden silnikowy i jeden sieciowy, połączone ze sobą wspólną szyną DC, oraz filtr sieciowy LCL (w większych mocach ilość modułów mocy jest zwielokrotniona). Moduł sieciowy, tak jak wspomniano, zamiast diod (lub tyrystorów) posiada tranzystory mocy IGBT. Tranzystory te sterowane są w sposób niezależny od modułu silnikowego osobnym modułem sterującym, wyposażonym w aplikację kontrolującą przepływ energii do sieci oraz poziom zniekształceń THDi. Aktywny mostek prostowniczy w połączeniu z filtrem LCL, który jest rozbudowaną o dodatkowy dławik wersją filtra sinusoidalnego, pozwala na osiągnięcie przez przetwornicę odkształcenia prądu THDi pobieranego z sieci na poziomie - 4%.

Przetwornica VACON NXC AFE, poza bardzo dobrymi parametrami THD pobieranego prądu, może w pewnych warunkach działać również jako aktywny regulator współczynnika mocy, kompensujący w sposób ciągły składową pojemnościową lub indukcyjną sieci.

Zwrot energii do sieci

Budowa przemiennika VACON NXC w wersji AFE pozwala na przepływ energii elektrycznej w obu kierunkach - do i z silnika - bez ograniczenia czasowego. W najczęściej spotykanych konstrukcjach przemienników podczas pracy generatorowej silnika, np. przy opuszczeniu ciężaru (suwnica), nadmiar energii elektrycznej ulega rozpraszaniu w postaci strat cieplnych na rezystorze hamowania. W przemienniku w wersji AFE nadmiar energii trafia z powrotem do sieci zasilającej. Spotykane są aplikacje, gdzie większość czasu przetwornica pracuje w trybie regeneratywnym, nie napędzając silnika, a odbierając
od niego energię, np. kombajn górniczy pracujący na opadającym chodniku. W aplikacjach typu napęd wentylatorów lub wirówek o dużym momencie bezwładności zwrot energii daje możliwość bardzo dynamicznego hamowania maszyną roboczą, poprawiając kontrolę procesu technologicznego.

Praca z podbitym napięciem

Inną interesującą funkcją przetwornicy VACON NXC AFE jest kompensacja (w pewnym zakresie) spadków napięcia sieci. Przetwornica posiada możliwość podbicia napięcia szyny DC nawet do 130% (standardowa przetw. do 5%).

Duże możliwości sprawdzonej przemysłowej serii VACON NXC, bardzo niskie odkształcenia THDi, zwrot energii do sieci oraz przystępna jak na tego typu urządzenia cena, powodują, że przetwornice typu VACON NXC AFE znajdują coraz szersze zastosowanie. Przetwornic VACON NXC AFE używają m.in. KGHM Polska Miedź, PKN ORLEN, L.W. Bogdanka i inne.

Od 2015 roku Danfoss Drives po przejęciu firmy Vacon to dostawca napędów elektrycznych o największym udziale rynkowym sprzedaży przetwornic częstotliwości niskiego napięcia w Europie i w Polsce.
Nasze marki VLT8 i VACON to jeden cel i jedna pasja. To szeroka i najbardziej innowacyjna oferta produktowa, a także usługi serwisowe o najwyższej jakości. Danfoss Drives to wolność wyboru dowolnej technologii silnikowej, z ofertą obejmującą zakres mocy od 0,18 kW do 5,3 MW.