Active Front End

Active Front End
Elke frequentieomvormer draagt bij tot de totale harmonische vervuiling van het
voedingsnet. Om deze te beperken bestonden tot op heden verschillende systemen,
denk maar aan actieve en passieve filters of 12-pulsige omvormers.
Vandaag bestaat er echter een nieuwe en betere oplossing, Active Front End of AFE
genaamd. Deze kan de harmonische vervuiling van de frequentieregelaar tot
praktisch nul herleiden. Naast het voordeel van “clean power” biedt een AFEsysteem tal van andere belangrijke voordelen zoals 4-kwadrantenwerking, Power
Factor regeling, verminderde gevoeligheid voor netvervuiling, een zeer dynamisch
gedrag, etc….
In de hierop volgende tekst wordt dieper ingegaan op noodzaak, de werking en de
voordelen van Active Front End systemen.

Harmonische distortie bij klassieke frequentieregelaars
Bij conventionele PWM-omvormers wordt de tussenkring gevoed door middel van
een diode gelijkrichter (zie fig 1). De nominale spanning in de tussenkring bedraagt
tijdens werking ca. 95% van de netpiekspanning. In deze configuratie kan er enkel
stroom naar de tussenkring
vloeien als de netspanning hoger is dan de
tussenkringspanning. Dit gebeurt echter slechts gedurende een relatief klein
gedeelte van de netspanningscyclus. De ingangsstroom is daarom alles behalve
sinusoïdaal. Hij neemt de vorm aan van wat in het jargon “konijnenoortjes” wordt
genoemd.
Indien we op deze stroomvorm een Fourier-analyse uitvoeren blijkt er een relatief
groot aandeel van de 5e, 7e, 11e en 13e harmonische in voor te komen. Het zijn
deze harmonische stromen die aanleiding geven tot het vervormen van de
netspanning.
Een maat voor deze vervorming van de netspanning is de “totale harmonische
distortie” ook THD genaamd. De grootte van de THD is afhankelijk van de
amplitudes van de verschillende stroomharmonischen en de impedantie van het net.
Een sterk net wordt minder snel vervuild. De maximaal toelaatbare waarden voor de
verschillende spanningsharmonischen zijn bij norm vastgelegd. ( EN61000 en
IEEE519).
In principe zou de cos aan de ingang van een spanningstussenkringomvormer
praktisch gelijk aan 1 moeten zijn. Dit gaat echter enkel op voor de grondgolf van de
ingangsstroom. Het relatief grote aandeel aan hogere harmonische leidt er echter
toe dat de vermogenfactor aan de ingang eerder 0,85 zal bedragen.

Regeneratorische werking
Een klassieke frequentieomvormer is niet in staat om, tijdens het afremmen van
motor en last, energie terug naar het net te sturen. De ingangsdiodebrug spert
namelijk de stroom in deze richting. Door de diodebrug te vervangen door twee antiparallel geschakelde thyristorbruggen (zie fig.2) en een spaartrafo is het toch
mogelijk om de van de motor afkomstige remenergie terug naar het net te voeren.
De antiparallele brug zal de tussenkringspanning op een constant niveau trachten uit
te regelen, onafhankelijk van de richting van de energiestroom. Niettegenstaande
het hier om een relatief envoudig en beproefd concept gaat, zijn er toch enkele
principiële nadelen verbonden aan het systeem.
Het betreft hier een netgestuurde commutatie. Dat wil zeggen dat de thyristoren van
de generatorische brug gedoofd worden dankzij de tegenspanning van het net.
Indien tijdens remwerking van de motor de netspanning plots daalt of wegvalt zal de
thyristorbrug kippen waardoor de omvormer door overstroom in storing gaat of
waardoor, erger nog, de ingangszekeringen aangesproken worden. Dit systeem is
dus minder geschikt bij zwakke of onbetrouwbare netten.
Daarenboven blijft de netvervuiling die door de geschakelde thyristorbruggen
veroorzaakt wordt relatief hoog.

Netspanningsfluctuaties
De maximaal beschikbare uitgangsspanning van de standaard PWM-omvormer is
meestal kleiner als de beschikbare netspanning. Door gebruik te maken van
geoptimaliseerde modulatiepatronen kunnen uitsturingsgraden tot bijna 100%
bekomen worden. Als de netspanning daalt zal ook de beschikbare motorspanning
dalen waardoor de motor sneller in veldverzwakking gaat. Dit heeft ondermeer tot
gevolg dat de motor zijn nominaal vermogen niet meer kan leveren. Als de
netspanning beneden de onderspanningsdrempel van de omvormer (bv. Un –25%)
daalt zal de omvormer in storing gaan. (Enkele speciale functies zoals “kinetische
buffering” buiten beschouwing gelaten). Deze fenomenen kunnen bijvoorbeeld
optreden bij spanningsdips, veroorzaakt door het direct op het net starten van grote
motoren of door schakelingen met codensator batterijen.

Commutatie-inbreuken of “Notching”
Zoals reeds vermeld wordt de netspanning gelijkgericht door middel van diodes en/of
thyristoren. Het overgaan van geleiding van de ene diode (thyristor) naar de
volgende noemt men commutatie. Tijdens de commutatie treedt er in werkelijkheid
een korststondige korstsluiting tussen twee netfasen op. Hierdoor ontstaan in het
voedingsnet commutatie-inbreuken of commutatiedips (zie fig.). De grootte van de
dips is afhankelijk van het kortsluitvermogen van het net, de reactantie en het
omvormercircuit. De maximaal toelaatbare duur en “diepte” van deze dips worden bij
norm vastgelegd.

Active Front End – Wat en Hoe?
Active Front End –Architectuur
Bij een AFE-systeem wordt de diodebrug aan de ingang van de omvormer vervangen
door een AFE-wisselrichter. Voor de juiste opbouw verwijzen we naar fig 4.
En daarin onderscheiden we de volgende belangijkste componenten:







Netzijdige wisselrichter met IGBT-technologie
Clear-Power Filter
Commutatiespoel
Radio-ontstoringsfilter
Hoofdcontactor en oplaad circuit.
AFE regeling en sensors
Werking
Na het opstarten van het systeem worden de tussenkringcondensatoren via het
oplaadcircuit op spanning gebracht (UTK = 2*Un). Daarna wordt de hoofdcontactor
gesloten en begint de wisselrichter de
tussenkringspanning op te drijven tot 10%
boven de piekspanning van het net. Dit om
ten alle tijde een generatorische werking
mogelijk te maken. Daarna zal de AFE-eenheid de tussenkringspanning onder alle
omstandigheden constant houden en dit onafhankelijk van de richting van de
energiestroom en eventuele netspanningsschommelingen
Hoe werkt dit?
Om het werkingsprincipe van een AFE toe te lichten verwijzen we naar fig 1.
Het basisidee is eenvoudig. De TK wordt initieel met behulp van het oplaad circuit op
spanning gebracht.
Beschouw nu S1 (in realiteit een IGBT- transistor) als gesloten. Er vloeit een stroom
I1 en de spoel L laadt energie op. Als S1 wordt geopend zal de energie in L naar C
getransferreerd worden door stroom I2. Vanwege het inductieve spanningseffect
verhoogt de spanning Udc tot Udc = U + UL. S1 wordt zodaning geschakeld dat Udc
constant blijft, onafhankelijk van de spanning U of de belasting van de tussenkring
(motorbelasting).
Door S1 met een hoge taktfrequentie te schakelen (3kHz) bekomen we een goede
regeling van Udc en een mooi afgevlakte ingangsstroom. De Clean Power filter filtert
alle hogere harmonischen uit en laat enkel de grondgolf door.

Voordelen en kenmerken van een AFE-systeem
Harmonische distortie  neem alvast een vergrootglas
Bij gebruik van een AFE zijn de netstromen, zowel in motorische als generatorische
modus, praktisch zuiver sinusvormig. Het is zelf zo dat de AFE regeling de IGBT’s
zo zal aansturen dat de harmonische spanningsvervorming practisch tot nul herleidt
wordt. Dit is “CLEAN POWER”. In fig. 6 ziet u een vergelijk tussen 6 pulsige, 12
pulsige en AFE-systemen. Het resultaat spreekt voor zich.
De harmonische vervuilig is zo gering dat zelfs op zeer zwakke netten de THD
binnen de limieten van de strengste normen blijft. Omwille van de lage harmonische
vervuiling kunnen ook grote AFE systemen met een standard “low-cost” distributie
transformator gevoed worden zonder derating.
Commutatiedips  U zegt?
Door gebruik te maken van snel schakelende IGBT transistoren met een gedwongen
commutatie treden er bij AFE-systemen geen commutatiedips op.
Regeneratorische werking  100% en zeker
De AFE is inherent een 4 kwadranten systeem waarbij zowel aandrijving als
afremmen met energierecuperatie voor 100% mogelijk is. De overgang van
motorische naar generatorische mode gebeurt gecontroleerd en “smooth”. Er
bestaat geen dode tijd tijdens de omschakeling zoals we wel bij conventionele
systemen (AC en DC drives) kennen.
De Siemens AFE is ook bestand tegen plotse netspanningsdalingen in
generatorische mode.
Wisselrichterkippen zoals hiervoor beschreven is niet
mogelijk. Daarom is de AFE ook perfect geschikt om op zeer zwakke en/of
onbetrouwbare netten ingezet te worden.
Netspanningsfluctuaties  Laat maar komen…
Een AFE kan zoals reeds vermeld de TK spanning constant houden ook als de
netspanning daalt. Door het gepast aansturen van de AFE-IGBT’s kan de
netspanning opgeboost worden. In principe kan een Siemens AFE zelfs bij 5% van
de nominale netspanning (bv. 20VAC) nog de TK spanning op peil houden. Hierdoor
is de performantie van de motor onder alle omstandigheden optimaal.
Indien de AFE ook langere tijd bij verlaagde netspanning dient te werken onder
vollast dan moet hiermee wel rekening gehouden worden bij de dimensionering van
het AFE-systeem.
Cos phi compensatie  Het kan niet op…
Bij de basisinstelling van een Siemens AFE bedraagt de cos  aan de netzijde
perfect 1. Het systeem gedraagt zich m.a.w. als een resistieve last, er vloeit enkel
actieve stroom naar of van de omvormer.
Een AFE kan echter beter. Hij is in staat om ook de cos  compensatie voor andere
verbruikers te doen. Hiervoor kan hij zowel reactief als ,indien gewenst, inductief
vermogen in het net sturen. We onderscheiden twee verschillende werkingstypes:


Constante Var mode
Constante Power Factor (PF) mode
In constante Var mode zal een instelbaar percentage (van 0% tot 100%) van de AFE
nominaalstroom aangewend worden als compensatiestroom. De grootte van de
compensatiestroom is onafhakelijk van de motorbelasting en is dus ook bij stilstand
van de motor volledig beschikbaar. Het percentage is vast parametreerbaar of online aanpasbaar via een analoge ingang of communicatiebus in functie van de
behoefte.
In constante PF mode kan de PF aan de ingang van de omvormer ingesteld worden
tussen 0,8cap…1…0,8 ind. (1= zuiver resistieve belasting). Het is duidelijk dat in
deze mode de hoeveelheid reactieve stroom wel afhankelijk is van de motorbelasting
Indien de AFE om een of andere reden in overlast gaat zal “Line Current
Management” ingrijpen en indien nodig de reactieve stroom beperken om de motor
toch van voldoende stroom te kunnen voorzien. Dit om de goede werking van de
motor te kunnen blijven waarborgen.
Dynamisch gedrag  Voor als het echt snel moet gaan
Een AFE kan ten alle tijde energie van of naar het net sturen. Hierdoor is een veel
dynamischere regeling van de tussenkringspanning mogelijk in vergelijking met
conventionele systemen. Dit biedt tal van voordelen.
De snelle uitregeling van de tussenkringspanning leidt tot een zeer kleine DC bus
rimpel wat de levensduur van de condensatoren ten goede komt
Het maakt de AFE pefect geschikt om zeer dynamische servosystemen te voeden
met een quasi perfecte DC-spanning ook bij zeer snelle en krachtige
belastingsvariaties
De AFE kan ook beter reageren op kritieke belastingstoestanden zoals bijvoorbeeld
zware belastingsstoten in het veldverzwakkingsbereik.

Vermogenbereik en toepassingsgebied
De Siemens Active Front End is standaard beschikbaar in een vermogenbereik van
16kW tot 1,2MW en dit voor spanningen van 400VAC tot 690VAC. Voor hogere
vermogens of spanningen worden oplossingen op maat uitgewerkt.
Waar en wanneer een AFE inzetten
AFE is vooral interessant bij toepassingen waar er veel energie in het net dient
teruggestuurd te worden.
Dit maakt het systeem uitermate geschikt voor
toepassingen zoals: kraanaandrijvingen, testbanken, windmolenparken, centrifuges
maar ook staalwalserijen en papiermachines. Ook voor maritieme toepassingen met
“zwakke” netten is de AFE de gedroomde oplossing. Maar dit is niet het enige. De
elektriciteitsleveranciers leggen de grootverbruikers steeds strengere eisen op
betreffende de harmonische vervuiling en cos. Het niet naleven van deze
grenswaarden kan tot boetes of een hogere energieprijs leiden. Het inzetten van een
AFE-systeem kan dus onmiddellijke besparingen opleveren. Bovendien is het
mogelijk om met de AFE de slechte cos van andere verbruikers te gaan
compenseren.
De extra investering die een AFE-systeem met zich meebrengt wordt snel
gecompenseerd als men rekening houdt met de eventuele energierecuperatie maar
zeker ook de lagere kosten voor kablage, speciale netfilters, compensatiesystemen
en voedingstrafo’s.
Tel daarbij de grotere beschikbaarheidsfactor en
betrouwbaarheid van uw installatie en de beslissing is snel genomen.

Beschikbare omvormers
De Siemens Active Front End is standaard beschikbaar in:
- MASTERDRIVES AFE
- SINAMICS S150
- SINAMICS S120
Voor meer informatie in verband met Active Front End omvormers staan wij steeds
tot uw beschikking.