A frekvenciaváltók hálózati hatásai és azok kompenzációja
Felharmonikus áramok
2015. január 21., szerda, 13:06
Címkék: Danfoss felharmonikus áram frekvenciaváltó
Napjainkban a nem lineáris fogyasztók térnyerésével egyre nagyobb problémát jelentenek a felharmonikus áramok. Ilyen fogyasztók az iparban a frekvenciaváltók, az egyenirányítós- és kapcsolóüzemű tápegységgel ellátott berendezések. A lakossági fogyasztók körében az egyre nagyobb számú kapcsolóüzemű tápegységek okozhatnak felharmonikus torzítást a hálózaton. Milyen hatással vannak ezek az áramok a teljesítménymérésre?
Mik azok a felharmonikusok?
A nem lineáris fogyasztók szinuszos feszültség hatására nem szinuszos áramot vesznek fel a hálózatból. Ez a torzított áram a Fourier transzformációval felbontható különböző frekvenciájú szinuszos áramok összegére. A hálózati frekvenciával megegyező, 50Hz-es áram az alapharmonikus áram, ennek az egész számú többszörös frekvenciáin jelen lévő áramok a felharmonikus áramok. A felharmonikus áramok a hálózat impedanciáján torzítják a feszültséget is.
A Danfoss frekvenciaváltók beépített közbenső köri fojtóval minimalizálják a hálózatba jutó áramtorzítás mértékét
A felharmonikusok hatásai
A felharmonikus áramok számos kedvezőtlen hatást okoznak az elektromos hálózatokon. Ezeket a hatásokat két csoportra bonthatjuk. Az egyik az áramtorzítás által kiváltott melegedés, a másik a feszültségtorzítás és a nagyobb frekvenciás jelek által kiváltott zavaró hatás.
A felharmonikus áramok az elektromos eszközökön átfolyva melegedést okoznak. A melegedés csökkenti a kábelek és a transzformátorok terhelhetőségét, és a transzformátorok élettartamát. A feszültségtorzítás és a többszörös frekvenciájú áramok rezonanciát okozhatnak, a jelátviteli kábelekben zavarokat, a direktben a hálózatra kapcsolt motorok tengelyén nyomatéklüktetést. A felharmonikus áramok a meddőáramokhoz hasonlóan hatásos munkavégzés nélkül terhelik a hálózatot, ezért a meddőáramokhoz hasonlóan teljesítménytényezővel is kifejezhető a jelenlétük mértéke a villamos hálózatokon, ez a torzítási teljesítménytényező.
Minél rosszabb a torzítási teljesítménytényező, annál nagyobb a teljes harmonikus torzítás (THiD), és a különbség az áram effektív és négyzetes középértéke között.
Ha csökkentjük az áramtorzítás mértékét, akkor csökken az áram négyzetes középértéke, és csökken a látszólagos teljesítmény is. A szinuszos áramfelvételű, lineáris fogyasztóknál megszokott definíció szerint a látszólagos teljesítmény a munkát végző hatásos teljesítmény és a munkavégzésre nem fogható meddő teljesítményből számítható:
Egy egyszerű méréssel arra kerestünk választ, hogy az elterjedt fogyasztásmérők képesek-e kimutatni a felharmonikus szűrés hatását. A vizsgálatot egy iparban elterjedt fogyasztásmérővel és egy hálózatanalizátorral végeztük.
A mérés menete
A könnyű kezelhetőség kedvéért a Danfossnál szokatlan, közbensőköri fojtó nélküli frekvenciaváltót tápláltunk 400 Voltos hálózatról, egy az iparban elterjedt fogyasztásmérő közbeiktatásával, aminek méréseit egy hálózatanalizátorral is ellenőriztük. A frekvenciaváltó által a hálózatból felvett áram jellemzőit előre beállított változó terhelések mellett rögzítettük. A méréseket egy külső felharmonikus szűrő csatlakoztatása után is elvégeztük. A mért értékek közül kitűnik, hogy a látszólagos teljesítmény, a meddő teljesítmény, és a hatásos teljesítmény közti kapcsolat nem a szinuszos áramok esetén megismertek szerint alakul.
A két különböző eszköz által mért teljesítményértékeket összehasonlítottuk, ezek közül a hatásos, és a látszólagos teljesítményt közel azonosnak bizonyult. A meddőteljesítmény mérésében tapasztalható jelentős eltérés. Az analizátorral rögzítettük a különböző teljesítmények számításához használt villamos alapmennyiségeket is. Ezekből kitűnik, hogy az analizátor csak az alapharmonikus mennyiségeket figyelembe véve számította ki a meddő teljesítményt.
Mért értékek
A felharmonikus áramok által okozott nagyobb áramterhelésre a meddő teljesítmény helyett az áram valódi négyzetes középértéke és a látszólagos teljesítmény értéke utal.
A lineráis fogyasztók esetén látott teljesítmény háromszög csak az alapharmonikus mennyiségekre igaz torzított áramok esetén.
Tisztán szinuszos feszültség és torzított áramok esetén háromszögből egy téglatestet kapunk, ahol a képen látható testátló a látszólagos teljesítmény. A hatásos és meddő teljesítmény mellett megjelenik a torzítási teljesítmény, ami a meddőteljesítménnyel együtt jelenti a nem hatásos teljesítményt. A torzítási teljesítményt az alapharmonikus feszültséget a felharmonikus áramok összegével szorozva kaphatjuk meg.
A meddő teljesítményt csak az alapharmonikus áramokra értelmezzük, mivel a felharmonikus áramok közül több negatív irányba folyik, így egy mindegyik harmonikusra kiterjedő összegzés hamis értéket adna, amit nem lehetne felhasználni meddőkompenzáció számításhoz.
A torzítási teljesítménnyel kiegészített teljesítmény háromszög egy téglatestet eredményez
Ezzel szemben a hatásos teljesítmény értelmezhető a felharmonikusokra is, a ,,visszavert” aktív teljesítmény, amelyet a nem lineáris fogyasztóból a hálózat felé folyó felharmonikus áramok hoznak létre, az azonos rendszámú feszültségharmonikusokkal együtt.
A hálózati feszültség ritkán szinuszos áramtorzítás jelenléte esetén, tehát az előbb egy idealizált állapotot láttunk. Az áramtorzítás a hálózat impedanciáján feszültségtorzítást hoz létre. A feszültségtorzítás által keltett torzítási teljesítmény a következő képlettel számítható:
Az elvégzett mérésekből kiderült, hogy az elszámolásnál használt hatásos és meddő teljesítmény mérésére nincs érdemi befolyással a felharmonikus szűrő jelenléte. A látszólagos teljesítmény esetén látványos a változás. A felharmonikus csökkentést forintosítani a hálózati zavarok kisebb előfordulási gyakoriságával, a kábelek kisebb keresztmetszetével, alacsonyabb transzformátor terheléssel, és hosszabb élettartammal lehet.
A felharmonikus áramok csökkentésére a leginkább kézenfekvő, leghatásosabb és helytakarékos megoldás a beépített közbensőköri fojtóval szerelt frekvenciaváltók használata. Az ilyen készülékek csak ritka esetekben igényelnek további felharmonikus csökkentést, ami lehet 12 pulzusú megtáplálás, külső LC-szűrő, aktív szűrő vagy aktív bemenet is.
További információ:
Danfoss Kft.
Zajácz János
1139 Budapest, Váci út 91.
www.danfoss.hu/VLT
janos.zajacz@danfoss.com
Tel: +36 1 450 3566
