Läs mer

Application Note
Behöver
VLT®
AutomationDrive
du bry dig om övertoner?
for marine winch applications
1.7%
bättre verkningsgrad med VLT Advanced Active Filter
jämfört med Active
Front End.
www.vlt-drives.danfoss.com
Använder du bästa metoden för
att dämpa övertoner?
De så kallade Low harmonic drives med AFE (Active Front
End) tekniken har snabbt blivit en populär teknik när man
eftersträvar låg övertons halt på sin transformator. Denna
artiklen kommer utmana AFE tekniken som idag är den
vanligaste tekniken för att uppnå en låg övertons halt.
Behöver du bry dig om
övertoner?
Övertoner kan skapa problem för dig
om de når tillräkligt höga nivåer, t.ex.

Termiskt överbelastad tranformator

Akustiskt oljud i tranformatorn

Förhöjd temperature i kablar

Minskad livslängd i övrig elektrisk
utrustning som t.ex. PLC:er och
motorskyddsbrytare m.m.

Momentrippel i direktdrivna
elmotorer.

Oegentligheter eller till och med
haveri av elektrisk utrustning
Det korta svaret är – JA. Det kan
också vara värt att kolla upp vad
nätleverantören har för krav på dig
när det gäller strömdistortion på
primärsidan av transformatorn. Så
sammanfattningsvis ja, man behöver ta
hänsyn till övertoner i sin anläggning.
Men det finns ingen anledning till att få
panik och överkompensera genom att
specificera alla frekvensomriktare till så
kallade ”Low Harmonic Drives”.
Varför behöver man inte
få panik?
De flesta premiumtillverkare av
frekvensomriktare förser sina
frekvensomriktare med standard
övertons dämpning I form av inbyggda
DC eller AC drosslar. Med hjälp av dessa
drosslar minskar THDi (total harmonic
distortion current) från så mycket
som 100% (för frekvensomriktare
utan DC eller AC drosslar) ner till
en nivå på mindre än 40% (THDi).
2
Denna nivå är fullt tillräcklig för att
minimera problemen i de allra flesta
fall beroende av hur hårt lastad
transformatorn är samt hur stor andel
av lasten som är frekvensomriktare.
När frekvensomriktare står för en
stor del av lasten på transformatorn
kan det vara en god idé att göra en
övertonskalkyl.

För en generell kalkyl kan man
använda sig av beräkningsprogram
som t.ex. Danfoss VLT® Motion
Control Tool MCT 31 som finns
tillgängligt för fri nerladdning här:
http://www.danfoss.com/Sweden/
BusinessAreas/DrivesSolutions/
Softwaredownload/

För ett mer exakt resultat kan man
anlita Danfoss service eller en
kraftnätspecialist som kan mäta
den faktiska ström och spänningsövertonshalten i ditt nät.
Oavsett effektstorlek så är Danfoss VLT®
AQUA Drive utrustad med integrerade
DC-drosslar. En av fördelarna med
DC-drosslar jämfört med AC drosslar
är att det inte finns något spännings
fall över drosslarna i mellanledet.
Frekvensomriktare som är utrustade
med AC-drosslar tappar typiskt ca 3%
av nätspänningen över drosslarna.
Denna förlust leder till lägre spänning
på motorplinten vilket i sin tur leder till
högre ström.
AFE och effektförluster
Active Front End (AFE) frekvensomriktare utvecklades initialt
för att kunna återmata energi till nätet I samband med
kraftiga bromscykler, som man t.ex kan finna i hiss eller
krandrifter. Efterssom en AFE använder en aktiv diodbrygga
vanligtvis i form av IGBT moduler, så blir den harmoniska
övertonshalten väldigt låg. Men det finns en del nackdelar
med AFE tekniken.

I en AFE frekvensomriktare så sitter den adderade
kraftelektroniken seriellt med strömflödet. Det
seriella upplägget betyder att oavsett vilken del av
kraftelektroniken som eventuellt fallerar resulterar det i ett
driftstop.

En AFE frekvensomriktare innehåller ungeför dubbelt så
mycket kraftelektronik som en standard frekvensomriktare.
Dessutom innehåller den ett så kallat LCL filter. Det betyder
att det finns dubbelt så stor risk för ett komponent haveri
jämfört med en standard frekvensomriktare av samma
kvalité.

Dubbelt så mycket kraftelektronik betyder också större
effektförluster i frekvensomriktaren vilket då minskar
verkningsgraden.

En standard frekvensomriktare från en
premiumtillverkare med AC eller DC-drosslar har
typiskt ca 2% förlusteffekt. För mer exakta siffror titta i
VLT® AQUA Drive Design Guide.

Förlusteffekten från en AFE frekvensomriktare kan lätt
bli så mycket som 137% mer än motsvarande VLT®
AQUA Drive by – Se Tabel 1 nedan.
Frekvensomriktare
Tillverkare
Förlusteffekt
VLT® AQUA Drive FC 202
132 kW med DC drosslar
(standard)
Danfoss
2.9 kW
Industriell frekvensomriktare, 132 kW with AC
drosslar
Annan ledande
tillverkare
3.3 kW
AFE frekvensomriktare, 132
kW med AC drossel
Annan ledande
tillverkare
7.0 kW
är enkelt att eftermontera och kan kompensera för samtliga
frekvensomriktare i nätet genom att dämpa övertonerna
till önskad nivå. Dessutom korrigerar en AAF lösning
effektfakton och balanserar faslasten.
I motsats till en Low Harmonic Drive med AFE teknik så
ligger ett AAF filter parallellt med strömflödet vilket betyder
att strömmen till lasten inte flyter genom filtret. Skulle
filtret fallera så kan strömmen flyta vidare till de aktuella
frekvensomriktarna och driften kan fortsätta. Givetvis
med en förhöjd övertonshalt som resultat. Men den
adderade filterlösningen ökar inte risken för stillestånd i t.ex.
vattenverket eller reningsverket.
Tabell 1 – Jämförelse förlusteffekter
Grupp kompensering med hjälp av Danfoss VLT® Advanced Active Filter
Sammanfattningsvis kan man säga att det är svårt att
motivera investeringen av en AFE för övertonsdämpning om
denna inte behövs. Notera att inköpspriset av en AFE ligger
normalt mellan 150-200% av kostnaden för en standard
frekvensomriktare och ger dessutom högre förluster / sämre
verkningsgrad. En frekvensomriktares främsta funktion i en
pumpapplikation är ju att reglera tryck, flöde samt optimera
energiförbrukningen.
En annan fördel med AAF lösningen är den så kallade ”sleep
mode” funktionen som möjliggör att filtret stänger av sig
om lasten på transformatorn är så låg att övertonsnivån
(inställbar nivå) i nätet är acceptabel. Det betyder att
effektförlusterna över tiltret försvinner helt. I en AFE lösning
så är förlusterna alltid närvarande.
Finns det alternativa lösningar för
övertonsdämpning?
Se nästa sida för ett beräkningsexempel på ett mindre
vattenverk med ett antal frekvensomriktare där
frekvensomriktare står för en betydande del av lasten.
Exemplet baserar sig på att AAF filtret är aktivt och drar
således inte nytta av ”sleep” funktionen.
Svaret lyder givetvis - Ja! System dämpning med hjälp av
t.ex. ett VLT® Advanced Active Filter (AAF) är en överlägsen
metod för att dämpa övertoner i de flesta fall. Ett AAF filter
Danfoss VLT Drives · DKDD.PM.407.A1.07
3
Driftkostnad och effektivitets jämförelse
Beräkningarna nedan visar ett exempel på ett mindre
vattenverk.
Transformator 1000 kVA, 400 V, 50 Hz

Installerad utrustning
Frekvensomriktare
[kW]
Antal
Förluster per
frekvensomriktare
med standard
frekvensomriktare
upp till 55kW och
AFE på 90 &
132kW. Alternativ
leverantör.
[kW]
Förluster per
frekvensomriktare
med Danfoss VLT®
AQUA Drive + AAF
250 A
[kW]
1.1
2
0.1
0.058
5.5
2
0.2
0.187
15
2
0.44
0.392
22
2
0.61
0.525
55
2
1.44
1.083
90
2
6.0
1.474
132
2
7.0
2.949
AAF 250A
1
-
7.0
Total värmeförlust
31.58 kW
Total värmeförlust
20.336 kW
Totalt installerad effekt
641.2 kW
Tabell 2 – Jämförelse mellan AFE och AAF lösning
Driftkostnadsjämförelse
Driftkostnaden beräknas på ett exempel med drift 24h/dygn
och en genomsnittlig belastning på 60%
1. AFE lösning:
Installerad utrustning

2st 90kW + 2st 132kW Low Harmonic Drives (AFE)
frekvensomriktare från alternativ leverantör.

Resterade frekvensomriktare är standardprodukter med AC
drosslar (≈40%THDi) från alternativ leverantör.
Total effektförlust är hämtad från alternativ leverantörs
dokumentation: 31.58 kW
Beräknad prestanda: THDi ≈ 13%, THDv <5%
Driftkostnad (förluster)
24 h x 365 dagar x 8760 h x genomsnittlig belastning
31.58 kW x 8760 h x 0,9 SEK/kWh x 0.6 = 149.386 SEK / År
Beräknad prestanda: THDi ≈ 14%, THDv <5%
Driftkostnad (förluster)
24 h x 365 days x 8760 h x genomsnittlig belastning
20.336 kW x 8760h x 0,9 SEK/kwh x 0.6 = 96.197 SEK / År
Driftkostnaden mellan Active Front End lösningen och Advanced Active Filter lösningen är 149.386 SEK – 96.197 SEK
= 53.189 SEK / År.
Om vi tittar över en livscykel på 10år så är skillnaden:
53.189SEK x 10 = 531.890 SEK.
Verkningsgrads jämförelse
För att jämföra verkningsgraderna så jämför vi förlusterna
mot den totalt installerade effekten på samtliga
frekvensomriktare.
1. AFE (Active Front End concept):
Effektförlust (kW) / Totalt installerad effekt (kW)
= 31.58/641.2 = 4.9%
2. AAF Danfoss VLT® Advanced Active Filter
3. Effektförlust (kW) / Totalt installerad effekt
(kW)20.336/641.2 = 3.2%
Skillnaden mellan de olika koncepten är = 4.9 – 3.2 = 1.7%
Skillnaden i effektförluster blir 1.7% av den totala installerade
frekvensomriktar basen. Om lasten är låg kan man dessutom
dra nytta av “sleep” funktionen i Danfoss VLT® Advanced
Active Filter vilket skulle öka på denna siffra högst markant.
Fördelarna med AAF
Beräkningarna visar tydligt att valet av en AAF lösning
möjliggör övertonsdämpning som inte ökar risken för
driftstopp och till en högre verkningsgrad och därmed lägre
driftkostnad än en motsvarande Low Harmonic Drive lösning
med AFE teknik
Författare:
Peder Wale (Business Developer Water & Energy, Sweden)
Teknisk input:
Vasile Bucelea (Business Developer High Power Drives)
2. Danfoss VLT® Advanced Active Filter i
gruppkompensering:
Standard VLT® AQUA Drive med DC drosslar (≈40%THDi) +
1st VLT® Advanced Active Filter 250 A
Total effektförlust: 20.336 kW
Danfoss VLT Drives, Ulsnaes 1, DK-6300 Graasten, Denmark, Tel. +45 74 88 22 22, Fax +45 74 65 25 80, www.danfoss.com/drives, E-mail: [email protected]
DKDD.PM.407.A1.07
© Copyright Danfoss Power Electronics | Danfoss VLT Drives PE-MSMBM | May 2015