Harmonisk- forvrængning Benny Haar Nielsen Applikationsingeniør OEM Industri
Faldgrupper med frekvensomformer Højfrekvent støj EMC-filter (øger lækstrøm) Skærmetkabel (øger lækstrøm) Switch frekvens (Akustisk støj) Max. motorkabellængde (Radiostøj) Harmonisk forvrængning Anvend passende filter til installationen Dimensionering af kabler, sikringer etc. Varmetab typisk 2-3% Køling af tavle Lækstrøm Anvend passende fejlstrømsrelæ Overspænding på motor Motorkabel>50m se datablad
Eksempel Energibesparelse på ventilator Fuldlast Irms=28amp CosΦ=0,85 GV2ME32 24-32amp. Ved en given driftsform kan man spare ca. 40% energi med frekvensomformer i denne installation Feedback fx 4-20mA Motordata: 15kW, 400V, 50Hz, 28amp CosΦ=0,85
Besparelse realiseret men Fuldlast Irms=42amp CosΦ=0,98 GV2ME32 24-32amp. Setpunkt: internt Feedback fx 4-20mA Motordata: 15kW, 400V, 50Hz, 28amp CosΦ=0,85
Løsning med netinduktans Fuldlast Irms=26amp CosΦ=0,98 32amp. Induktans (typisk 2000,- netto) THDi<45% Setpunkt: internt Feedback fx 4-20mA Motordata: 15kW, 400V, 50Hz, 28amp CosΦ=0,85
EMC-produktstandarden IEC/EN 61800-3 Højfrekvens Lavfrekvens Fra 0,1MHz Op til 40. harmoniske
Harmoniskforvrængning Strømmen til en frekvensomformer er ikke sinusformet. Frekvensomformeren genererer lavfrekvente harmoniske strømme på netforsyningen. Antallet og niveauet af de harmoniske strømme er afhængig af teknologien i ensretterdelen.
Harmoniskforvrængning Hvorfor er strømmen til en frekvensomformer ikke sinusformet? 3-faset ensretter : 600 400 200 0 U 13 U 12 Vc I main L1 L2 L3 D1 D 2 D3 D4 D5 D6 C -200 V 1-400 -600 - Vc 0.04s 0.05s 0.06s 0.07s 0.08s Der løber kun strøm til kondensatoren for at vedligeholde spændingen over kondensatoren, strømmen er derfor ikke kontinuerlig, men kommer mere som pulser.
Hvad er THD? Et ikke-sinusformet signal svarer til summen af de sinusformede harmoniske strømme. Nøgle værdier Total Harmonisk Forvrængning THDI% = RMS Strøm I rms = I 2 2 + h = I 2 3 h = 1 + I 1 I I 2 4 2 h... + I 2 n * 100
Effekt faktor KVA KVAr KW 15kW ATV71 (PF) Uden induktans PF=0,568 THDi=142% Med induktans PF=0,907 THDi=43% Φ PowerFactor
Spændingskvalitet THDu afhænger af THDi og impedansen på forsyningen DC spænding U Strøm til kondensatoren Forsyningsspænding V Typisk krav er THD<5%
Hvorfor skal vi tænke på harmoniske strømme? 3 store negative effekter Energieffektivitet Overdimensionering Elektriske forstyrrelser Øget IRMS Transformer (IRMS) Overholdelse af standarder Tab i installationen Kabelstørrelse, Sikringer Resonans i kondensatoranlæg Forstyrrelser i elektrisk udstyr Rådgiverdag Benny Nielsen 4.november 2014 Store omkostninger Lav ydelse
Harmonisk strøm : Økonomisk effekt Energieffektivisering Driftsomkostninger Investeringsomkostninger Eksempel Transformerens levetid kan i værste fald reduceres: Fra 30 til 10 år Pålidelighed Produktionsstop Produkt-/Installationslevetid
Generelt Øget RMS-strøm overbelaster transformeren
Dårlig ydelse Konsekvens for DOL motorer Pulserende moment, vibrationer Øget tab Ex: derating <5% med THDu = 10% Reducering af levetid Ex.: -18% med THDu = 10%
Motorspænding bliver mindre DC-Spændingen i mellemkredsen falder, når forvrængningen ligger i toppen af sinus Vpeak DC = Vpeak Netspænding Max. motorspænding = DC / 1,42
U/F karakteristik for AC-motorer Spænding Vn For at opretholde fuldt moment skal spændings-/frekvensforhold passe Motor 400V/50Hz har forholdet 8V pr. 1Hz Fn Frekvens Hvis Vp falder med 40V betyder at motorspændingen max. er 565-40/1,42= 370VAC Hvis motoren er 400V, 50Hz betyder det at motoren kan belastes 100% op til 370/8 = 46,25Hz Reduceret moment må forventes ved hastigheder over 46,25Hz
Frekvensomformerens opbygning 565Vdc L1 L2 L3 Ensretterkreds Lademodstand Filter Vekselretter u m i m D1 D2 D3 T1 T3 T5 L1 L2 L3 3x400Vac D4 D5 D6 C T2 T4 T6 M 3 ~ Y-400VAC Ensretter Ensrettet spænding Filter Udglattet DC-spænding PWM control Puls pause styring Omformer Produktion af AC 3-faset forsyning med varieret frekvens og spænding
Standarder Standarden beskriver mængden af THD, som kan tolereres af det offentlige forsyningsnet Bygning IEC 61000-3-2 I <= 16A pr. fase THDi <= 5% Ikke professionelt udstyr IEC 61000-3-12 I <= 75 A pr. fase THDi <= 48% Industri & Bygning IEEE 519 THDu <= 5% ved PCC (PCC = ved transformer)
Standarder For laveffekt-udstyr tilsluttet offentligt net er der begrænsninger på størrelsen af harmoniske strømme for hver frekvensomformer For globale installationer er grænserne bestemt af forsyningsselskabet - Guideline (anbefalet) THDu<=5% - For MV og HV - For LV udstyr op til 75 A - For LV udstyr ikke professionelt <16A - Definerer bygning/industri miljø og krav til frekvensomformere
Standards, Utilities requirements Rådgiverdag Benny Nielsen 4.november 2014
Harmoniske løsninger Reduktion af forvrængning
Reduktion af harmoniske strømme Løsninger Standardløsning Anvend AC eller DC-spole THDi Filterløsninger Passive eller aktive filtre Multipuls løsning 12/18/24 puls C-less Teknologi Mindre kondensator i mellemkreds 4Q frekvensomformere Active Front End - AFE Rådgiverdag Benny Nielsen 4.november 2014
Standardløsning Induktans i DC bussen (integreret eller eksternt tilsluttet) THDi<48% og Isc < 35kA Net induktans (integreret eller indsættes i netforsyningen) THDi<48 og Isc < 100kA
Valg af induktans Overspænding pga. forstyrrelser på nettet 2 U M 1 ms t M Beskyt med AC-induktans
RMS strøm med induktans
RMS strøm med induktans
Reduktion af harmoniske strømme Løsninger Standardløsning Anvend AC eller DC-spole THDi Filterløsninger Passive eller aktive filtre Multipuls løsning 12/18/24 puls C-less Teknologi Mindre kondensator i mellemkreds 4Q frekvensomformere Active Front End - AFE
Filterløsninger Med passivt filter er THDI reduceret til ca.10% Med begge filtre, THDI reduceret til ca. 5% Med simpel induktans THDI 48% Med passivt filter THDI 10%
Aktiv Filter (AF) Funktion AF genererer harmoniske og reaktive strømme, som udligner forvrængningen på nettet og kompenserer for spændingsvariationer Med frekvensomformere bliver THDI reduceret til ca. 5%
Aktiv filter Frekvensomformer + AF + =
Reduktion af harmoniske strømme Løsninger Standardløsning Anvend AC eller DC-spole THDi Filterløsninger Passive eller aktive filtre Multipuls løsning 12/18/24 puls C-less Teknologi Mindre kondensator i mellemkreds 4Q frekvensomformere Active Front End - AFE
Multipuls løsning Med 12 puls forsyning er THDI reduceret til ca.12% Fase forskudt med 30 Delta 6 puls ensretter M Drev Star 6 puls ensretter H5 og H7 reduceret
Multipuls løsning 18 puls løsning Med 3 parallelle diodeensrettere og en speciel transformer med 20 faseforskydning mellem de 3 sekundær viklinger. 24 puls løsning Med 4 parallelle diodeensrettere og en speciel transformer med 4x15 faseforskydning eller 2 faseforskudte 12puls trafoer.. THDi 8% THDi 5%
Multipuls 6-12-18 puls VSD forsyning 6 Pulse with L 12 Pulse 18 Pulse
Reduktion af harmoniske strømme Løsninger Standardløsning Anvend AC eller DC-spole THDi Filterløsninger Passive eller aktive filtre Multipuls løsning 12/18/24 puls C-less Teknologi Mindre kondensator i mellemkreds 4Q frekvensomformere Active Front End - AFE
C-less Teknologi Med C-less Teknologi er THDI ca. 30% (gælder kun for HVAC) V 1 eller3 faser + Fase effekt C C Current - Ensretter D C bus Vekselretter => 95% reduktion af DC bus kapacitet Mindre kapacitet --> mindre THDI
Sammenligning af HVAC frekvensomformere RMS strøm ATV61 vs. ATV212 (Induktans vs. C-less) Rådgiverdag Benny Nielsen 4.november 2014
Reduktion af harmoniske strømme Løsninger Standardløsning Anvend AC eller DC-spole THDi Filterløsninger Passive eller aktive filtre Multipuls løsning 12/18/24 puls C-less Teknologi Mindre kondensator i mellemkreds 4Q frekvensomformere Active Front End - AFE Rådgiverdag Benny Nielsen 4.november 2014
Active Front End (AFE) 4Q Rectifier B6- IGBT bridge Converter B6- IGBT bridge L1 L2 L3 U V W t t t t Motor cos ϕ =1 Generator cos ϕ = -1
AFE frekvensomformere Koncept Med AFE er netstrømmen næsten sinusformet og THDi<5% Specielt netfilter fjerner støj fra IGBT er I generatordrift kan energien leveres tilbage på nettet Low Harmonic effekter 30-630kW
Harmoniske løsninger Virkningsgrad THDi: C-less: <30% Spoler: <48% 12p : < 12% 18-24p: 6-8% Passiv Filter: 5-16% Aktiv filter: 5% AFE: <5% Investering
Løsning med netinduktans Fuldlast Irms=26amp CosΦ=0,98 32amp. Induktans (typisk 2000,- netto) Før THDi=140% Efter THDi<45% Setpunkt: internt Feedback fx 4-20mA Motordata: 15kW, 400V, 50Hz, 28amp CosΦ=0,85
Vil du vide mere? Vi holder løbende seminarer og kurser. Se vores kursusoversigt på: www.schneider-electric.dk Kontakt: Benny Haar Nielsen Titel: System & Architecture Expert (SAE) benny.nielsen@schneider-electric.com