Frekvenčné meniče založené na technológii AFE

Všetci dobre vieme, že ruka v ruke s meničmi frekvencie idú aj tzv. vyššie harmonické ako následok nelineárnej záťaže. Spôsobujú poruchy ostatných polovodičových zariadení, zvýšené oteplenie atď.

Za jeden z najúčinnejších spôsobov ako sa vysporiadať s týmto problémom, je všeobecne považované využitie meničov AFE – Active Front End. Táto technológia je založená na tom, že vstupný mostík meniča frekvencie nie je tvorený diódami, ale aktívnymi prvkami IGBT. Existujú však dve rôzne konfigurácie, ktoré majú rôzne vlastnosti:

  • AFE, ktorý využíva DC kondenzátory v jednosmernom medziobvode, ďalej len AFE menič
  • AFE bez DC kondenzátorov v medziobvode, v ďalšom označovaný ako tzv. maticový menič

V tomto článku by sme vás radi upozornili na rozdielne vlastnosti týchto meničov. Mohlo by sa zdať, že odstránením DC kondenzátorov ušetríme nejaké tie eurá, ale tu treba povedať, že tieto úspory budú negované následnými nie celkom priaznivými vlastnosťami takéhoto meniča frekvencie. Z pohľadu vlastností meniča sa nám odstránením DC kondenzátorov objavia významné obmedzenia parametrov výstupného napätia, vyšších harmonických odoberaných zo siete, účinníka a možnosti preklenutia krátkodobých výpadkov napájacieho napätia, tzv. Power Loss Ride Through. Napríklad AFE menič bez DC kondenzátorov dokáže produkovať na výstupe len 92% (alebo ešte menej!) výstupného napätia, keď pracuje v režime nízkych harmonických.

V ďalšom texte budú uvedené rozdiely v hardvérovej konštrukcii a vo výkone dvoch rôznych AFE meničov. Menič s DC kondenzátormi v medziobvode bude v ďalšom texte označovaný ako AFE menič, menič bez DC kondenzátorov bude označovaný ako maticový menič.

AFE menič s DC kondenzátormi

AFE menič mení vstupné trojfázové striedavé napätie na jednosmerné napätie v medziobvode a následne ho spätne konvertuje na trojfázové striedavé napätie rovnako ako tradičný 6-pulzný frekvenčný menič. Hlavný rozdiel medzi 6-pulzným a AFE meničom je v tom, akým spôsobom mení vstupné AC na DC napätie a v použitom hardvéri.

Na obr. 1 je zobrazená zjednodušená schéma AFE meniča so zvýraznenými rozdielmi medzi AFE a klasickým 6-pulzným usporiadaním. Tieto rozdiely sú:

  • Klasicky známe diódy na vstupe sú nahradené prvkami IGBT, ktoré menia vstupné striedavé napätie na jednosmerné napätie medziobvodu. IGBT spínajú veľmi rýchlo, a tým zabezpečujú relatívne hladký prúd do meniča.
  • Pred týmto mostíkom je vstupný LCL filter, ktorý filtruje vysokofrekvenčné zložky spôsobované IGBT.

Keď je poháňané zariadenie odstavné, vstupný LCL filter je odpojený stýkačom.

AFE menič
Obr. 1 AFE menič

Maticový menič bez DC kondenzátorov

Na obr. 2 je zjednodušená schéma maticového meniča. Ten využíva 9 sád IGBT tranzistorov, ktoré priamo spínajú vstupné napätie na výstup meniča. Každá sada je tvorená dvoma IGBT, ktoré regulujú výstupné napätie a frekvenciu. Maticový menič je AC/AC menič, nemá jednosmerný medziobvod a na rozdiel od AFE meniča, ktorého topológia je známa hádam aj dobrých 20 rokov, je toto relatívne nová záležitosť na trhu HVAC. Na vstupe meniča je LC filter, ktorý filtruje vysokofrekvenčné zložky spôsobované IGBT.

Maticový menič
Obr. 2: Maticový menič

 

Tabuľka 1 sumarizuje rozdiely medzi AFE a maticovým meničom:

Obmedzenia maticového meniča

Ako bolo spomenuté v úvode, maticový menič má viacero nie celkom príjemných obmedzení. Okrem nich navyše maticový menič nedokáže dodávať plné napätie v prípade krátkodobého poklesu vstupného napätia – čo AFE menič hravo zvláda. Ale vráťme sa k nim detailnejšie.

Obmedzenie výstupného napätia:

Väčšina frekvenčných meničov generuje v menovitom prevádzkovom bode (zvyčajne menovité otáčky poháňaného motora) na výstupe napätie, ktoré je rovné štítkovému napätiu poháňaného motora. Motor potrebuje plné napätie na to, aby mohol dosiahnuť menovitý moment pri plných otáčkach a menovitom prúdovom odbere. Motor, ktorý nedostane plné napätie, nedokáže dodávať menovitý moment pri menovitých otáčkach, pokiaľ si nedostatok napätia nenahradí zvýšeným odberom prúdu. Takýto prevádzkový stav ale znamená zvýšené oteplenie motora, ktoré môže významne skrátiť jeho životnosť. Pre dosiahnutie požadovaného krútiaceho momentu motora bez jeho prehriatia je preto potrebné ho náležite predimenzovať. Maticový menič dokáže generovať plné výstupné napätie len vo vybranom prevádzkovom režime. Výstupné napätie je obmedzené, pretože menič moduluje priamo vstupné napätie namiesto DC napätia jednosmerného medziobvodu. Takisto odoberaný účinník je priamo závislý od vybraného prevádzkového režimu meniča.

Maticový menič má v zásade tri prevádzkové režimy:

  • Režim maximálneho výstupného napätia (ale zároveň obmedzené tlmenie harmonických)

  • Režim nízkych harmonických (ale zároveň obmedzené výstupné napätie) – low harmonic režim

  • Režim preklenutia meniča (ale zároveň veľmi zlý účinník)

Pre porovnanie, menič AFE má len jeden prevádzkový režim, ktorý poskytuje optimálne potlačenie vyšších harmonických, zároveň plné výstupné napätie pre motor pri menovitých otáčkach.

V nasledujúcej časti uvádzam výsledky testov, ktoré za nás urobili naši kolegovia v jednej zo zahraničných pobočiek ABB. Pokusy boli vykonávané na maticovom a AFE meniči, oba 15 kW, 480V, pohony boli prevádzkované v rovnakom pracovnom bode 23,5 A; 460 V; 60 Hz; 1765 ot/min; menovitý účinník motora 0,86. Počas každého testu bol motor zaťažovaný na 100 % pri menovitých otáčkach. Použité meracie prístroje boli:

  • analyzátor siete Hioki PW 3198
  • osciloskop Fluke 190-204
  • multimeter Fluke 87V
  • prúdová sonda Fluke 337

Napájacie napätie bolo stabilizované na 480 V. Maticový menič bol testovaný vo všetkých troch prevádzkových režimoch.

Maticový menič – režim maximálneho výstupného napätia:

Ide o režim, kedy maticový menič dokáže dodať menovité napätie motoru pri menovitých otáčkach. Toto by mal byť typický prevádzkový režim, ak sa nechceme dostať do stavu, že v menovitých otáčkach motor nedostane menovité napätie. Ukazuje sa ale, že z pohľadu harmonických tento režim nepredstavuje žiadnu výhru. Celkové harmonické prúdové skreslenie (THDI) merané na vstupných svorkách maticového meniča je zobrazené na obr.3 čiernou krivkou Maticový menič režim 1. Krivka ukazuje, že celkové THDI v čase osciluje a dosahuje hodnotu nad 11%. Táto oscilácia je špecifická pre maticové meniče, ostatné meniče majú hodnotu THDI stabilnú bez akýchkoľvek výrazných špičiek. Priemerná hodnota THDI počas tohto testu bola 9,4 %. Pre porovnanie, všeobecne akceptovaná hodnota pre meniče low harmonic je podľa IEEE 519 na úrovni 5%. Priemerná hodnota THDI maticového meniča je teda v tomto režime takmer dvojnásobná.

Porovnanie THDI maticového meniča v režime 1 a režime 2 s AFE meničom
Obr.3 Porovnanie THDI maticového meniča v režime 1 a režime 2 s AFE meničom

 

Maticový menič – režim low harmonic:

V tomto režime dokáže maticový menič generovať THDI niekde na úrovni cca 5% pri menovitej záťaži. Avšak výstupné napätie pri menovitých otáčkach je v tomto režime značne obmedzené. Tento režim je označovaný za tzv. low harmonic, ale v praxi je nie vždy využívaný práve z dôvodu obmedzenia výstupného napätia. Celkové prúdové harmonické skreslenie na vstupných svorkách meniča je zobrazené na obr. 3 šedou prerušovanou čiarou Maticový menič režim 2. Z obrázku je vidieť, že THDI sa tiež s časom mení a dosahuje úroveň blízko 7 %.

Priemerná hodnota THDI počas testu bola 5,6 %. Prevádzkový režim 2 nedokáže zabezpečiť plné napätie na výstupných svorkách meniča pri menovitých otáčkach motora. Počas testu menič dodal len cca 88 % napätia na vstupných svorkách na výstup meniča. Pre 480 V vstupného napätia to teda znamená 422 V na výstupe pre 460 V motor v menovitých otáčkach. Menič teda nedokáže dodať motoru potrebné napätie. Dôvodom je absencia DC medziobvodu. Znížené napätie v menovitých otáčkach môže znamenať, že motor bude požadovať zvýšený prúd, čo môže mať za následok prehrievanie motora a jeho zníženú životnosť.

Pre porovnanie boli vykonané ešte ďalšie dva testy v režime 2. A síce pri sieťovom napätí 470 V a 460 V, čo predstavuje reálne podmienky v bežnej prevádzke. Tab. 1 ukazuje, že výstupné napätie je stále niekde na úrovni 88 % vstupného napätia, zatiaľ čo prúd motora postupne rastie nad menovitú hodnotu 23,5 A. Výsledky meraní ukazujú, že použitie maticového meniča v režime low harmonic vyžaduje ďalší inžiniering a podrobné znalosti problematiky. Motor musí byť príslušným spôsobom (pre)dimenzovaný. Aj pri maticovom meniči napájanom z ideálneho zdroja 480 V totiž  motor odoberal o 1,5 A viac (6,4 %) ako je jeho menovitá hodnota. V prípade bežnej situácie s napätím siete 460 V už motor odoberal o 2,3 A (9,8 %) viac. Predimenzovanie motora vzhľadom na zvýšené prúdové odbery bude s vysokou pravdepodobnosťou znamenať prácu motora v menej optimálnom pracovnom bode.

Tab.1 prúd motora v závislosti od napájacieho napätia

Tab.1 prúd motora v závislosti od napájacieho napätia

Maticový menič – režim preklenutia meniča:

Podstata tohto režimu spočíva v tom, že vhodne vybraté prvky IGBT sú trvalo v zopnutom stave a motor má plné napájacie napätie. Inými slovami, motor beží, ako keby bol priamo napájaný zo siete. V tomto režime nie je možná otáčková regulácia a motor trvalo beží na menovité otáčky. Výhodou tohto režimu je, že menič dáva motoru plné napätie pri menovitých otáčkach a má nízke THDI. Nevýhodou je, že je potlačená jedna zo zásadných výhod low harmonic meniča – a síce zlý účinník. V tomto režime bol nameraný celkový účinník 0,89. Táto hodnota je oproti menovitému účinníku motora 0,86 len veľmi malým zlepšením. Tu si treba uvedomiť, že štandardom, na aký sa u nás kompenzuje účinník, je hodnota 0,95. Pripomínam, že plnohodnotný menič AFE bez zaváhania v menovitom prevádzkovom bode zabezpečuje účinník 1. Tento režim navyše potláča základnú výhodu meničov frekvencie – otáčkovú reguláciu a s tým spojené výhody v podobe kvality regulačného procesu a možných energetických úspor. Nikto si zrejme nekúpi frekvenčný menič na to, aby prevádzkoval pohon na menovitej frekvencii siete, však?

Navyše dávam k dispozícii nasledujúcu úvahu. Ak by sme potrebovali povedzme 95% menovitých otáčok pre pohon ventilátora, tak v tomto režime nie je možná otáčková regulácia a odoberáme plný výkon. AFE menič nám ale bude odoberať pri 95% otáčkach len necelých 86% výkonu, a teda dokážeme mať trvalú úsporu cca 14 %!

Tento režim má silný negatívny dopad na celkový účinník a možné energetické úspory. Nie je odporúčaný pre aplikácie HVAC, ktoré požadujú presné riadenie prietoku a maximálne možné energetické úspory. Tento režim je vhodný ako náhrada softštartérov v špecifických aplikáciách bez otáčkovej regulácie ale s niektorými vlastnosťami frekvenčných meničov.

Regulácia účinníka

Účinník každého frekvenčného meniča má priamy dosah na celkový účinník celej inštalácie. Maticový menič v režime č.3 (označený ako režim preklenutia meniča) má induktívny charakter, ako bolo spomenuté v predchádzajúcej časti. Režimy č.1 a č. 2 majú kapacitný charakter účinníka v celom prevádzkovom rozsahu. Maticový menič má navyše kapacitný charakter záťaže aj počas nečinnosti, pretože kondenzátory vstupného LC filtra sú stále pripojené k inštalácii budovy. Kapacitný charakter záťaže v systéme inštalácie treba vnímať veľmi opatrne, pretože môže byť zdrojom nestability prípadne nežiadúcich rezonancií. Maticový menič nedokáže dosiahnuť jednotkový účinník a kapacitná hodnota počas prevádzky závisí od zaťaženia.

Obr.4 ukazuje skutočný nameraný účinník maticového a AFE meniča v závislosti od zaťaženia.

Závislosť účinníka od zaťaženia
Obr 4 Závislosť účinníka od zaťaženia

Preklenutie krátkodobého výpadku napájania (power loss ride through)

Napriek tomu, že väčšinu času máme k dispozícii stabilné napájacie napätie a stabilnú sieť, občas sa vyskytujú krátkodobé poklesy alebo výpadky napájania. Počas takéhoto výpadku býva žiadúce, aby pohon ostal v činnosti a naďalej fungoval a po uplynutí výpadku ďalej pokračoval vo funkcii. Toto je dôležité hlavne v kritických aplikáciách, kde výpadok môže znamenať veľké škody.

Keď sa bavíme o preklenutí krátkodobého výpadku, je dôležité zopakovať – aby pohon ostal v činnosti a naďalej fungoval aj po uplynutí výpadku. Len udržanie pri živote samotného panela, prípadne riadiacej logiky meniča, nie je preklenutím výpadku. Krátkodobý výpadok nesmie znamenať potrebu znova reštartovať pohon. Menič musí byť po odznení výpadku sám schopný zabezpečiť tzv. letmý štart – teda pokračovať tam, kde prestal pred výpadkom. Na podporu preklenutia výpadkov musí mať menič schopnosť ukladať energiu. Na toto sú použiteľné DC kondenzátory v medziobvode, ktoré zásobia menič krátkodobo. Pre preklenutie dlhodobejších výpadkov menič využíva energiu rotujúcich častí poháňaného zariadenia.

Maticové meniče nedisponujú DC kondenzátormi, takže nemajú nič, čo by mohlo akumulovať zmysluplné množstvo energie. Maticové meniče nemajú funkciu preklenutia krátkodobého výpadku energie. Vďaka kreatívnemu marketingu niektorí výrobcovia deklarujú preklenutie krátkodobého výpadku napätia, jedná sa ale len o výpadok riadiaceho napätia. Toto v skratke znamená asi toľko, že len ovládací panel ostane počas výpadku funkčný, pohon ako celok v zmysle kontinuálne rotujúceho poháňaného zariadenia bez nutnosti reštartu ale už nie.

Výsledky testov AFE meničov

Na rozdiel od maticových meničov AFE meniče majú len jeden prevádzkový režim. Existuje niekoľko zásadne rozdielnych vlastností medzi AFE a maticovým meničom. Najvýznamnejšími sú tlmenie harmonických, plné výstupné napätie, prúdový odber motora a účinník. Aby sa zachovala výpovedná hodnota, AFE menič bol testovaný za rovnakých podmienok ako maticový. Kľúčové rozdiely možno zhrnúť nasledovne:

  • DC kondenzátory umožňujú AFE meniču dosiahnuť plné výstupné napätie zároveň s THDI na vstupe meniča nižším ako 5 %. Priemerná hodnota THDI na úrovni cca 2,7 % je výrazne nižšia ako 9,4 % (režim 1) alebo 5,6 % (režim 2) pri maticových meničoch.
  • Harmonické skreslenie AFE meniča je konštantné na rozdiel od oscilujúceho THDI maticového meniča.
  • AFE menič udržiava takmer jednotkový účinník v oblasti od cca 40 % zaťaženia. Maticový menič v režimoch 1 a 2 jednotkový účinník nedosiahne a má vždy kapacitný charakter, navyše začína výraznejšie klesať už v zaťaženiach pod 75 %. V režime č. 3 vykazuje maticový menič zlý účinník na hodnote 0,89.
  • AFE menič obsahuje na vstupe stýkač pre odpojenie LCL filtra počas nečinnosti pohonu. Toto maticový menič nemá, takže v čase nečinnosti pohonu je vstupný LC filter meniča stále pripojený na sieť a predstavuje kapacitnú záťaž.
  • AFE menič dokáže zosilniť vstupné napätie tak, aby zabezpečil menovité napätie na výstupe aj počas prevádzky so zníženým vstupným napätím. AFE menič zabezpečil na výstupe 459 V aj pri napájaní vstupným napätím na úrovni 460 V. Maticový menič v režime low harmonic dokázal za tých istých podmienok dodať na výstup len 422 V.
  • AFE menič dokázal prevádzkovať motor v menovitom pracovnom bode s odberom 23,5 A aj s napájacím napätím 460 V, zatiaľ čo maticový menič v režime low harmonic potreboval aj pri ideálnom vstupnom napájacom napätí 480 V dodať do motora prúd o 6,4 % vyšší ako je menovitá hodnota prúdu motora. Z pohľadu motora je napájanie AFE meničom omnoho menej stresujúce ako napájanie maticovým meničom, a to aj pri zníženom napätí.

 

Nasleduje infografika – obr.5, kde je to prehľadne nakreslené:

infografika

Marketing okolo maticových meničov nemusí vždy povedať celú pravdu

V marketingovej literatúre maticových meničov sa niekedy neuvedú všetky vlastnosti týchto meničov. Často sa uvedú najlepšie vlastnosti dosiahnuteľné len za špecifických podmienok, ale už sa nespomenie, že menič nemôže dosiahnuť tieto vlastnosti naraz, prípadne jedna vylučuje druhú.

AFE frekvenčné meniče ABB rady Ultra Low Harmonic využívajú topológiu s DC medziobvodom a DC kondenzátorom. Tento menič má len jeden prevádzkový režim, ktorý nemá vyššie uvedené obmedzenia a poskytuje všetky výhody regulovaného pohonu s optimálnymi parametrami – teda spĺňa normu IEEE 519, plné napätie motora pri menovitých otáčkach, jednotkový účinník už od cca 40 % záťaže, plnohodnotné preklenutie krátkodobých výpadkov napájania. Sú tak ideálnym riešením pre najnáročnejších zákazníkov.

A takto to vyzerá:

AFE frekvenčné meniče ABB rady Ultra Low Harmonic

Kategórie and Tagy
O autorovi

Tibor Baculák

Senior Specialist Sales Technical Support, Drives & Motors
Komentovať článok