Powszechne wykorzystywanie tego rodzaju napędów jest jednak obarczone pewną istotną niedogodnością. Chodzi o częstotliwości harmoniczne (ten temat szeroko opisaliśmy w lipcowym numerze „Utrzymania Ruchu”), zwane również całkowitymi zniekształceniami harmonicznymi (THD – ang. Total Harmonic Distortion), które znane są wprawdzie od dawna, jednak występowanie naturalnych zakłóceń na wejściu mostka diodowego napędu PWM prowadzi do eskalacji tego problemu.
Rys. 1. THD może dochodzić do 130% na wejściu 6-diodowego napędu PWM.
Na wejściu standardowego, 6-diodowego (impulsowego) napędu PWM częstotliwości harmoniczne prądu mogą osiągać nawet 130% całkowitych zniekształceń harmonicznych (rys. 1).
Pojawienie się w późnych latach 80. systemu modulacji szerokości impulsu PWM oraz tranzystorów bipolarnych o izolowanej bramce IGBT (ang. Insulated Gate Bi-polar Transistors) w ogromnym stopniu przyczyniło się do poprawy niezawodności i wydajności napędów VFD, przy jednoczesnej redukcji ich kosztów oraz znacznym zmniejszeniu rozmiarów całego urządzenia.
Przy użyciu pełnookresowego mostka diodowego napęd przekształca prąd przemienny w prąd stały o ustalonym napięciu. Tak wytworzony prąd stały zasila przemiennik modulacji szerokości impulsu PWM, który do niedawna składał się z klasycznych tyrystorów prostownikowych SCR (ang. Silicon Controlled Rectifier) oraz tranzystorów i tyrystorów wyłączalnych (GTO – ang. Gate Turn-off Thyristors). Obecnie zostały one zastąpione tranzystorami bipolarnymi o izolowanej bramce, ze względu na zdolność tych ostatnich do szybkiego przełączania. To właśnie tranzystory bipolarne o izolowanej bramce IGBT, dzięki swoim doskonałym właściwościom, utorowały drogę napędom PWM – zarówno do wielu zastosowań przemysłowych, jak i do wykorzystania w systemach napędów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji HVAC.
Częstotliwości harmoniczne mogą jednak sprawiać wiele problemów – w całym zakładzie i w poszczególnych urządzeniach. Mogą przyczyniać się zarówno do nadmiernego nagrzewania się silników, jak i do powstawania wyższych wartości skutecznych prądu w transformatorach oraz urządzeniach zasilających. Wrażliwe (czułe) urządzenia pomiarowe, komputery czy systemy łączności, w skrajnych przypadkach zniekształcenia przebiegu napięcia mogą prowadzić do awarii lub do całkowitego zniszczenia. Poza uszkodzeniami bądź nieprawidłowym działaniem urządzeń, częstotliwości harmoniczne mogą generować większe koszty, związane z koniecznością stosowania dodatkowych transformatorów przeznaczonych do realnej lub sztucznej potrzeby dostosowania obciążenia, jakie wpływa na linię elektroenergetyczną.
Autor: Ed Smith, inżynier wdrożeniowy w dziale produktów HVAC, w firmie Siemens Buil
