Témata
Reklama

Filtry vyšších harmonických zkreslení

16. 11. 2004

Společnost Danfoss má ve své nabídce široké spektrum měničů kmitočtu, které umožňují různá řešení pohonů garantující minimální zkreslení síťového napětí harmonickými. Zařízení splňují požadavky normy IEEE 519-1992 i stupeň 1 budoucí normy EN 61000-3-12.

Ve spojení s měniči kmitočtu s proměnlivou rychlostí se termín "harmonický" používá velmi často. Ale přesto zopakujme, co přesně tento termín znamená?
Jakýkoli periodický signál může být v podstatě prezentován jako suma sinusových funkcí s frekvencemi rovnajícími se celočíselným násobkům základní frekvence tak, jak je ukázáno na prvním z grafů. Součet signálu se základní frekvencí a signálů s frekvencemi 5-, 7-, 11- a 13krát vyššími než základní frekvence dává ve výsledku téměř kvadratický tvar vlny. Signál s frekvencí 5krát vyšší, než je základní frekvence, se nazývá pátou harmonickou.
Tudíž pro nesinusoidní proud, jako je např. vstupní proud u měničů kmitočtu s proměnlivou rychlostí, termín "harmonická analýza" označuje rozložení libovolného průběhu proudu na základní kmitočet (50 nebo 60 Hz) a na proudy s frekvencemi rovnajícími se celočíselným násobkům základní frekvence. Toto rozdělení se někdy také nazývá Fourierova analýza. Příkladem Fourierovy analýzy jsou níže uvedené výpočty, kde je proud z měniče kmitočtu (ukázána je pouze polovina periody) rozdělen na jednotlivé harmonické složky.
Reklama
Reklama
Reklama

Účinky harmonických zkreslení

U aplikací měničů kmitočtu s proměnlivou rychlostí je předmětem zájmu jak harmonické proudové zkreslení, tak i harmonické napěťové zkreslení. Harmonické proudové zkreslení a harmonické napěťové zkreslení mají odlišné účinky na systém napájení, a proto je důležité, pokud se hovoří o účincích harmonických zkreslení, tato dvě zkreslení rozlišovat.
Harmonické proudové zkreslení je způsobeno usměrňovačem v měniči kmitočtu s proměnlivou rychlostí, obvykle se jedná o 6pulzní diodový usměrňovač. Harmonické proudy lze popsat jako proudy přidané k původnímu proudu nelineárním členem. Harmonické proudové zkreslení následně zvyšuje skutečnou efektivní hodnotu proudu (RMS), a pokud není odstraněno, může dojít k přehřátí transformátoru nebo kabelů. Velikost harmonického proudového zkreslení je často uváděna v procentech základního proudu, což se někdy označuje také jako celkové harmonické proudové zkreslení (THID)
Harmonické proudy obvykle tečou z generátoru takovéhoto proudu (např. diodového usměrňovače) do sítě. Napětí generované harmonickými proudy potom způsobuje na vnitřní impedanci zdroje harmonické napěťové zkreslení napětí sítě. Tj. harmonické napěťové zkreslení je produktem harmonického proudového zkreslení a impedance zdroje, kde zdroj s největší impedancí vyvolává největší napěťové zkreslení.
Harmonické napěťové zkreslení může interferovat se zařízením připojeným ke stejnému napájení (např. motory nebo elektronická zařízení) a eventuálně může způsobit poškození tohoto zařízení. Velikost harmonického napěťového zkreslení je často uváděna v procentech jmenovitého napětí, což se někdy označuje také jako celkové harmonické napěťové zkreslení (THVD)

Metody odstranění harmonického zkreslení

Ke snížení rizika potenciálního poškození zařízení i k dodržení platných standardů a doporučení (např. norma IEEE 519-1992 nebo budoucí norma EN 61000-3-12), existuje několik různých metod odstranění harmonického zkreslení v měničích kmitočtu. Mezi nejznámější a často používané metody patří použití tlumivky na vstupu usměrňovače, vestavěné tlumivky na výstupu usměrňovače, vícepulzního usměrňovače(12- a 18pulzní) nebo aktivního či pasivního filtru.
Nejrozšířenější a nejsnadnější metodou odstranění harmonického zkreslení je použití tlumivky na vstupu usměrňovače. Vstupní tlumivka vyhlazuje proud vycházející z měniče kmitočtu, přičemž v porovnání s měničem bez tlumivky lze při použití vstupní tlumivky dosáhnout výrazně nižšího harmonického zkreslení. Podobného účinku jako při použití vstupní tlumivky lze dosáhnout i pomocí tlumivky vestavěné na výstupu usměrňovače. Výstupní tlumivky mají v porovnání s tlumivkami na vstupu menší velikost, vyšší účinnost a nevykazují žádný úbytek napětí na vstupu usměrňovače.
12- a 18pulzní usměrňovače byly dlouhou dobu používány jako standardní metoda snížení harmonického zkreslení u měničů kmitočtu. Teoreticky je 5. a 7. harmonická (u 18pulzního měniče také 11. a 13. harmonická) vyrušena pomocí transformátorů s fázovým posunem a s použitím dvou (nebo tří) 6pulzních diodových usměrňovačů. Výraznou nevýhodou vícepulzní metody odstraňování harmonického zkreslení je však sklon ke vzniku neideálního napájecího napětí. Protože vždy existuje určitá nerovnováha napětí nebo určité zkreslení harmonického pozadí, úplného odstranění 5. a 7. harmonické (11. a 13. harmonické) tak lze zřídkakdy dosáhnout.
Naproti již uvedeným možnostem je aktivní filtr úplně nová technika s potenciálem pro potlačení harmonického zkreslení téměř na nulu. Avšak k tomu, aby se v blízké budoucnosti aktivní filtr stal úspěšnou metodou odstraňování harmonického zkreslení, je třeba vyřešit několik vážných problémů. Aktivní filtr totiž přepíná vysoké napětí přímo na napájení, což má za následek vznik vysokofrekvenčního šumu. V současné době neexistují žádné normy upravující úroveň vysokofrekvenčního šumu vznikajícího při spínání (2 kHz - 150 kHz) a vypouštěného do sítě. Proto je hlavním úkolem do budoucna určit rozumnou úroveň vysokofrekvenčního šumu, aby bylo zajištěno, že nebude docházet k poškození jiných zařízení.

Řešení z praxe

Všechny měniče kmitočtu firmy Danfoss jsou vybaveny vestavěnými tlumivkami na výstupu usměrňovače, snižujícími harmonické zkreslení o polovinu v porovnání s měniči kmitočtu bez takovéto ochrany. Tlumivky vestavěné na výstupu usměrňovače zajišťují nejen splnění harmonických limitů u většiny aplikací, ale také dlouhou životnost kondenzátoru ve stejnosměrném meziobvodu. Doplňkově jsou nabízeny také harmonické filtry AHF 010 a AHF 005, přičemž filtr AHF 010 snižuje harmonické proudy na méně než 10 % a AHF 005 snižuje harmonické proudy na méně než 5 %.
Oproti jiným známým filtrům nabízejí tyto filtry vynikající účinnost při odstraňování harmonických zkreslení, a to až 98 %.

Filtrační vlastnosti při neideálním napájecím napětí

Vzhledem k tomu, že ideální třífázové napájecí napětí nelze téměř dosáhnout, harmonické filtry AHF 005 a AHF 010 byly vyvinuty tak, aby zajišťovaly hodnoty blízké nebo lepší než 10 % THID, resp. 5 % THID i v případě, že předem dané harmonické napěťové zkreslení dosahuje 2 % nebo je napěťová nesymetrie 2 %.
Dále, jak ukazují výše uvedené grafy, i při silné napěťové nesymetrii dosahující 3 % nebo při silném zkreslení pozadí ve výši 5 % lze s těmito filtry dosáhnout významného snížení harmonických proudů.
Všimněte si, že jakýkoli jiný harmonický filtr, 12- nebo 18pulzní usměrňovač, je velmi negativně ovlivněn neideálním napájecím napětím, např. nesymetrií napětí nebo zkreslením napěťového pozadí. Výše uváděné hodnoty účinnosti při neideálním napájecím napětí by proto neměly být chápány jako limity jednotlivých produktů, ale spíše jako demonstrace vysoké informační otevřenosti vůči zákazníkům při diskusích na téma harmonických zkreslení.
Ing. Viktor Hašpl
Reklama
Vydání #11
Kód článku: 41115
Datum: 16. 11. 2004
Rubrika: Trendy / Pohony
Autor:
Firmy
Související články
Místo převodovky řemenové pohony

Synchronní řemeny se v mnoha průmyslových odvětvích prosazují jako nejlepší volba.

Lineární vedení NSK s vylepšeným těsněním

Společnost NSK představila na veletrhu EMO 2019 optimalizovanou řadu válečkového vedení RA s vylepšeným těsněním. Lineární vedení RA jsou vybavena novými těsněními V1 a vylepšeným krytem, které pomáhají prodloužit životnost a spolehlivost obráběcích strojů.

Ready made lineární osy s ozubeným řemenem

Pomocí lineární osy je realizován pohyb v přímém směru a jedná se tak o výborný výchozí konstrukční prvek pro stavbu strojů, automatizačních linek a polohovacích zařízení s potřebou přesného lineárního pohybu ve více osách (typicky například CNC stroje). V posledních letech došlo navíc k výraznému snížení cen a lineární osy se tak stávají dostupné i pro dosud zapovězené oblasti. V neposlední řadě je podstatnou výhodou u tzv. ready made produktů dodávka již smontovaného dílu připraveného k okamžitému použití v zákaznické aplikaci.

Související články
Kompaktní pohony s dutou hřídelí

Kompaktní, robustní, cenově výhodné… Jsou-li stanoveny požadavky na stroje, musí zareagovat i poskytovatelé řídicí a pohonné techniky. Jejich inovace jsou důležité pro vývoj konstrukcí strojů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nová koncepce dvoupotrubních centrálních mazacích systémů

Oproti jiným typům ztrátových centrálních mazacích systémů, dále jen CMS, mají dvoupotrubní mazací systémy zásadní přednost v tom, že dávkovače jsou plněny novým mazivem přetlakově. To je předpoklad pro spolehlivé mazání strojů a strojních zařízení.

Řemenové převody přinášejí dynamiku do intralogistiky

Na hannoverském veletrhu se mohli návštěvníci seznámit s inovativními řešeními pro skladovou logistiku, jež vyvinula společnost Continental. Jedná se například o ozubené řemeny Conti Synchrodrive, které nacházejí uplatnění u sloupových zakladačů vysokoregálových skladů, ploché pásy Conti Polyflat pro zdvihací a závěsné systémy či drážkové řemeny Conti Multirib, které se používají v pohonu válečkových tratí.

Inteligentní motor střižený na míru

Mechatronická pohonná jednotka g350 představuje nový kompaktní mechatronický pohonný balíček, který firma Lenze uvádí na trh ve třech výkonnostních provedeních. Zařízení je koncipováno speciálně pro horizontální přepravní techniku.

Univerzální kyvný pohon

Modulární, odolný, univerzální – to jsou hlavní vlastnosti nového čtvrtotáčkového pohonu DFPD společnosti Festo. Tento pohon s ozubeným hřebenem a pastorkem je určen pro splnění nejrůznějších požadavků ve zpracovatelském průmyslu.

Bezúdržbové klínové řemeny

U klínových řemenů uživatelé oceňují tichý chod, jednoduchou instalaci a funkci bezpečnostní spojky při přetížení, kterou klínové řemeny plní díky možnosti krátkodobého prokluzu. Nicméně klínové řemeny vyžadují ne vždy levnou a snadnou údržbu. Obzvláště v nepřetržitých provozech či těžko dostupných pohonech se obecné doporučení kontrolovat a dopínat klínové řemeny každých 2 000 provozních hodin obtížně splňuje. Výsledkem bývají ztráty účinnosti, energie a krátká životnost pohonu. Klínové řemeny, jak je známo, bez dopnutí prokluzují. Co ale bývá zanedbáváno, je vliv zvýšených vibrací při nízkém napnutí klínových řemenů. Tyto vibrace mají velmi negativní vliv na životnost ložisek a jiných součástí zařízení. Zde se zaměříme na správnou údržbu a na novinku na trhu – bezúdržbové klínové řemeny.

Výpočet zbývající doby běhu valivých ložisek

Na veletrhu Hannover Messe 2016 představila společnost Schaeffler novou digitální službu – výpočet nominální zbývající doby běhu valivých ložisek v provozu na základě reálného souboru zatížení.

Certifikace testovacího postupu pro výpočty životnosti valivých ložisek

Certifikátor Germanischer Lloyd (GL) udělil společnosti Schaeffler osvědčení „Assessment of the method to investigate rolling bearing rating life“ (Posouzení metody zjišťování jmenovité životnosti valivých ložisek). Poprvé tak byl certifikován samotný postup, a ne každý jednotlivý faktor ovlivňující životnost, jak bylo dosud vyžadováno.

Ložiska pro lineární pohyb

Během posledních let se neustále zvyšují nároky na moderní lineární technologii, zejména pokud jde o únosnost, tuhost a životnost. Souběžně však rostou rovněž požadavky uživatelů na jednoduchost montáže a snižování nákladů na údržbu. Aby firma SKF dokázala uspokojit všechny tyto požadavky zákazníků, přichází na trh s novou řadou D lineárních kuličkových ložisek LBC.

EtherCAT pro centrální řízení pohybů

Při centrálním řízení pohybů se musí v každém cyklu po sběrnici přenášet požadovaná hodnota na připojené pohony. Vlastnosti použitého sběrnicového systému jsou proto rozhodující pro dosažitelnou přesnost a dynamiku koordinovaných pohybů. EtherCAT zde proti konvenčním datovým sběrnicím nebo jiným sběrnicím Ethernet pro průmyslové využití nabízí jasné výhody.

Spojky pro malé momenty i pro těžký provoz

Výrobce pohonů společnost Enemac je dodavatelem hřídelových spojek s rozsahem krouticích momentů od 0,2 do 130 000 Nm, které nacházejí uplatnění v nejširších oblastech průmyslu.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit