Κινητήρια συστήματα μεταβλητής ταχύτητας με μετατροπέα ενεργού εμπρόσθιου άκρου

Οι μετατροπείς ενεργού εμπρόσθιου άκρου (Active Front-End converters [AFE]) είναι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος που χρησιμοποιούνται κυρίως στην είσοδο συστημάτων ισχύος (π.χ. μετατροπείς συχνότητας, βιομηχανικοί οδηγοί κινητήρων). Σε αντίθεση με τους συμβατικούς ανορθωτές, οι μετατροπείς ενεργού εμπρόσθιου άκρου επιτυγχάνουν μεταξύ άλλων αμφίδρομη μεταφορά ισχύος και σημαντική βελτίωση του συντελεστή ισχύος.

Του κ. Νικόλαου Κορακιανίτη*

Οι πλήρως ελεγχόμενοι αμφίδρομοι (δικατευθυντήριοι) ανορθωτές ή μετατροπείς ενεργού εμπρόσθιου άκρου (Active Front-End converter) αποτελούν εξελιγμένη μορφή μετατροπέων εναλλασσόμενου – συνεχούς ρεύματος (Alternating Current – Direct Current [DC – AC]) , με πλήρη έλεγχο της ροής ισχύος και των ηλεκτρικών μεγεθών μέσω διακοπτικών ημιαγωγικών στοιχείων, όπως τα «διπολικά τρανζίστορ μονωμένης πύλης» (Insulated Gate Bipolar Transistors – [IGBT]).

Σε αντίθεση με τους συμβατικούς ανορθωτές με διόδους ή θυρίστορ που παρουσιάζουν μονοκατευθυντική ροή ενέργειας και σημαντική παραγωγή αρμονικών, οι μετατροπείς ενεργού εμπρόσθιου άκρου επιτυγχάνουν αμφίδρομη μεταφορά ισχύος, λειτουργία τόσο σε ανόρθωση όσο και σε αντιστροφή, καθώς και σημαντική βελτίωση του συντελεστή ισχύος και μείωση της αρμονικής παραμόρφωσης. Έτσι επιτυγχάνουν χαμηλή ολική αρμονική παραμόρφωση (Total Harmonic Distortion [THD]) σε σύγκριση με τους συμβατικούς ανορθωτές.

Η ποιότητα ισχύος και η δυνατότητα αμφίδρομης ροής ενέργειας (αναγεννητική λειτουργία επιστροφής ενέργειας στο δίκτυο) αποτελούν εξαιρετικά ιδιαιτέρως κρίσιμα τεχνικά χαρακτηριστικά, τα οποία επιτυγχάνονται μέσω κινητήριων συστημάτων οδήγησης με μετατροπείς ενεργής πρόσθιας εισόδου (Active Front End [AFE]) και υπερχαμηλής αρμονικής παραμόρφωσης (Ultra-Low Harmonic [ULH] drive).

Αυτά διαθέτουν τη δυνατότητα να περιορίζουν την ολική αρμονική παραμόρφωση του ρεύματος (Current Total Harmonic Distortion [THDi]) περίπου στο 3%, όταν οι αντίστοιχοι συμβατικοί παραδοσιακοί εξαπαλμικοί μετατροπείς με παθητικά στοιχεία, που αποτελούν τις συνηθέστερες τυπικές λύσεις, παρουσιάζουν περίπου 40%.

Επιπλέον, αυτά τα κινητήρια συστήματα οδήγησης μεταβλητής ταχύτητας, όταν χρησιμοποιούνται σε ανελκυστήρες, ανακτούν την ενέργεια πέδησης και τη διοχετεύουν προς το δίκτυο ή σε συστήματα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας.

Σχήμα 1 : Τυπικές ολικές αρμονικές παραμορφώσεις ρεύματος μετατροπέων.

Τυπική ολική αρμονική παραμόρφωση ρεύματος εξαπαλμικού μετατροπέα 35%.

Τυπική ολική αρμονική παραμόρφωση ρεύματος μετατροπέα ενεργού εμπρόσθιου άκρου 3%.

Μετατροπείς ενεργού εμπρόσθιου άκρου

Οι μετατροπείς ενεργού εμπρόσθιου άκρου (Active Front-End [AFE] converter) είναι μια οικογένεια ελεγχόμενων ανορθωτών που χρησιμεύουν ως μετατροπείς εναλλασσόμενου ρεύματος (Alternating Current [AC])σε συνεχές ρεύμα (Direct Current [DC]).

Σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς συμβατικούς ανορθωτές διόδων, επιτρέπουν την αμφίδρομη ροή ισχύος, δηλαδή αναγεννητική έγχυση ισχύος στο δίκτυο, και επίσης διαμορφώνουν ενεργά την τρέχουσα κυματομορφή για την επίτευξη χαμηλής ολικής αρμονικής παραμόρφωσης (THD) και υψηλού συντελεστή ισχύος.

Στην πράξη, ο πλήρως ελεγχόμενος δικατευθυντήριος ανορθωτής (μετατροπέας) ενεργού άκρου (Active Front End converter) χρησιμοποιείται συνήθως μαζί με ένα φίλτρο LCL για περαιτέρω αρμονική εξασθένηση, όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 2.

Σχήμα 2: Τυπική τοπολογία ενός πλήρως ελεγχόμενου δικατευθυντήριου ανορθωτή (μετατροπέα) ενεργού άκρου (Active Front End converter)

Δεδομένης της αμφίδρομης φύσης του, ο μετατροπέας ενεργού εμπρόσθιου άκρου χρησιμοποιείται ευρέως σε σύγχρονα συστήματα ισχύος ως διεπαφή μεταξύ του δικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος και άλλων μετατροπέων, σε εφαρμογές όπως τα κινητήρια συστήματα οδήγησης μεταβλητής ταχύτητας κινητήρων εναλλασσόμενου ρεύματος (Variable speed drives, VSD) ή οι γρήγοροι φορτιστές ηλεκτρικών οχημάτων (EVs fast chargers) του σχήματος 3.

Γρήγορος φορτιστής ηλεκτρικού οχήματος.

Κινητήριο σύστημα οδήγησης μεταβλητής ταχύτητας κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος.

Μετατροπείς ενεργού εμπρόσθιου άκρου

Ένα συμβατικό κινητήριο σύστημα μεταβλητής συχνότητας (Variable Frequency Drive [VFD]), παρέχει ισχύ από την πηγή –συνήθως το δίκτυο– σε έναν κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος σε τρία βασικά στάδια (βλέπε σχήμα 4), που είναι τα εξής:

1. Ένας ανορθωτής διόδων μετατρέπει την τροφοδοσία εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές ρεύμα. Ο ανορθωτής είναι συνήθως 6 παλμών, κι ονομάζεται έτσι επειδή αποτελείται από έξι διόδους: μία για όταν η τάση είναι θετική και μία για όταν η τάση είναι αρνητική, σε καθεμία από τις τρεις φάσεις της τριφασικής εναλλασσόμενης τάσης τροφοδοσίας. Όμως, παρότι οι δίοδοι είναι απλές και οικονομικές, παράγουν αρμονικές οι οποίες επιστρέφουν στο σύστημα ηλεκτρικής τροφοδοσίας, με αποτέλεσμα πρόσθετη θερμότητα και απώλειες, που μπορεί επιπροσθέτως να προκαλούν ακόμη ασταθή ή απρόβλεπτη συμπεριφορά στον συνδεδεμένο εξοπλισμό.
2. Μία ενδιάμεση διασύνδεση συνεχούς ρεύματος (DC link) λαμβάνει, εξομαλύνει και αποθηκεύει την ισχύ από τον ανορθωτή.
3. Ένας μετατροπέας μετατρέπει την ισχύ συνεχούς ρεύματος ξανά σε εναλλασσόμενο ρεύμα με την απαραίτητη συχνότητα και τάση, μέσω διαμόρφωσης πλάτους παλμών (Pulse Width Modulation [PWM]).

Σχήμα 4 Συμβατικό κινητήριο σύστημα μεταβλητής συχνότητας (Variable Frequency Drive [VFD]).

Οι πολλαπλοί ανορθωτές, όπως οι ανορθωτές 12 παλμών, 18 παλμών ή 24 παλμών, μπορούν να μειώσουν τις αρμονικές, αλλά όσο προστίθενται ανορθωτικές βαθμίδες, τόσο αυξάνονται ο απαιτούμενος χώρος και το κόστος.

Μια άλλη λύση για τη μείωση των αρμονικών είναι η προσθήκη παθητικών φίλτρων, τα οποία εισάγουν μια χαμηλή σύνθετη αντίσταση (low impedance), ώστε να απορροφούν τις αρμονικές συχνότητες. Όμως τα παθητικά φίλτρα είναι χρήσιμα μόνο υπό περιορισμένες και συγκεκριμένες συνθήκες, έχουν μεγάλο αποτύπωμα χώρου, και γενικά καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια από άλλες εναλλακτικές λύσεις.

Ένας μετατροπέας ενεργού εμπρόσθιου άκρου (Active Front End [AFE]) όχι μόνο μειώνει τις αρμονικές, αλλά παρέχει και άλλα οφέλη που μπορούν να μειώσουν το κόστος για τον τελικό χρήστη. Αντί να χρησιμοποιεί διόδους στον ανορθωτή για τη μετατροπή της εισερχόμενης ισχύος AC σε DC, διαθέτει ένα ενεργό εμπρόσθιο τμήμα, το οποίο χρησιμοποιεί διπολικά τρανζίστορ μονωμένης πύλης (Insulated Gate Bipolar Transistors [IGBT]), όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 5.

Σχήμα 5 : Κινητήρια συστήματα οδήγησης με μετατροπέα ενεργού εμπρόσθιου άκρου.

Τα IGBT είναι ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος, των οποίων η μεταγωγή (switching) ελέγχεται ηλεκτρονικά· από αυτό προκύπτει και ο όρος «ενεργό» εμπρόσθιο άκρο (στάδιο), το οποίο παρακολουθεί την κυματομορφή του ρεύματος εισόδου και τη διαμορφώνει έτσι ώστε να είναι ημιτονοειδής, μειώνοντας τη συνολική αρμονική παραμόρφωση (THD) περίπου στο 5% ή και λιγότερο.

Επισημαίνεται εδώ, ότι η THD μετριέται μόνο για αρμονικές χαμηλής τάξης. Ένα φίλτρο LCL είναι απαραίτητο για τη μείωση των αρμονικών υψηλότερης τάξης που προκαλούνται από τη συχνότητα μεταγωγής των IGBT.

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ & ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

Βασικά οφέλη και χαρακτηριστικά των μετατροπέων ενεργού εμπρόσθιου άκρου είναι τα εξής:

• Υπερχαμηλές αρμονικές: Επιτυγχάνουν εξαιρετικά χαμηλή ολική αρμονική παραμόρφωση ρεύματος (THDi), συχνά κάτω από 3%, καλύπτοντας πρότυπα όπως το IEEE 519.
• Συντελεστής ισχύος ίσος με τη μονάδα (unity power factor): Διασφαλίζει αποδοτική χρήση ενέργειας και αποφεύγει πρόστιμα / επιβαρύνσεις από τον πάροχο.
• Ενίσχυση τάσης (voltage boost): Μπορεί να παρέχει πλήρη τάση κινητήρα ακόμη και με χαμηλή τάση τροφοδοσίας.
• Δυνατότητα ανάκτησης ενέργειας (regenerative capability): Μπορεί να επιστρέφει την πλεονάζουσα ενέργεια πίσω στο δίκτυο.
• Απλοποιημένη εγκατάσταση: Καταργεί την ανάγκη για μεγάλα εξωτερικά φίλτρα αρμονικών και για υπερδιαστασιολογημένα καλώδια και μετασχηματιστές.
• Βελτιωμένη απόδοση: Παρέχει πλήρη τάση εξόδου καικαλύτερη «αντοχή» σε βυθίσεις τάσης (ride-through), ενώ υποστηρίζει άμεσο έλεγχο ροπής (DTC).

Τυπικές εφαρμογές των μετατροπέων ενεργού εμπρόσθιου άκρου είναι οι εξής:

• Συστήματα θέρμανσης, εξαερισμού, κλιματισμού και ψύξης: Για αντλίες, ανεμιστήρες και συμπιεστές σε κτίρια, data center και συστήματα τηλεθέρμανσης / τηλεψύξης (district energy).
• Ύδρευση και αποχέτευση: Για αξιόπιστα συστήματα άντλησης.
• Βιομηχανικές διεργασίες: Χαρτοπολτός, χαρτί και άλλες εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ποιότητα ισχύος και ενεργειακή αποδοτικότητα.

* Ο κ. Νικόλαος Σ. Κορακιανίτης είναι ηλεκτρολόγος μηχανικός & Τεχνολογίας Υπολογιστών, υποψήφιος διδάκτορας και ακαδημαϊκός υπότροφος στο Ερευνητικό Εργαστήριο Ευφυών Τεχνολογιών, Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και Ποιότητας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων & Ηλεκτρονικών Μηχανικών, στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής.

Πηγές

1. Active Front End (AFE)- Imperix
2. Active Front End (AFE), Advanced Harmonic Reduction Technology, Nidec, Control Techniques
3. Active front end drive technologies, ABB
4. Active front end drive versus active filter solutions, ABB
5. What are the benefits of an active front end (AFE) drive
6. Simovert Masterdrives AFE