Actief dynamisch filteren white paper

Wat is een ADF?

De ontwikkeling van elektronica zorgt ervoor dat compensatietechnieken steeds intelligenter worden. Sinds een aantal jaren zien we dat een actief dynamisch filter (ADF) steeds vaker wordt toegepast voor het oplossen van power quality problemen. Maar wat is nu een ADF? Wat zijn de voordelen en waar moeten we op letten bij de aanschaf? 
In deze white paper wordt op deze onderwerpen ingegaan.

Ontvang white paper actief dynamisch filteren als PDF

White paper Actief dynamisch filteren | Fortop

Power Quality: een korte inleiding

Power Quality beschrijft de kwaliteit van spanning en stroom. Een slechte stroom- of spanningskwaliteit kan leiden tot uitval van apparatuur, het overbelasten van de installatie of claims en boetes. Daarom worden er eisen gesteld aan opgenomen stroomdoor apparatuur alsmede de geleverde spanning. Er zijn normen voor openbare netten, 
industriële niet openbare netten en aangesloten apparatuur.

De EN-50160 beschrijft de normen die gelden als afspraken tussen de netbeheerder (levering van spanning) en gebruiker (gebruiker van stroom). Elektriciteitsnetten van eindgebruikers van elektriciteit hebben echter te maken met de EN-61000 normenreeks. Binnen deze reeks zijn normen voor zowel spanning (netten tot 35 kV) als stroomkwaliteit (apparatuur) opgenomen.
 
Power Quality, normen en verantwoordelijkheden

Figuur 1 - Power Quality, normen en verantwoordelijkheden

De eigenschappen van apparatuur of de elektrische infrastructuur veroorzaken in sommige gevallen problemen met power quality. Deze problemen kunnen o.a. te maken hebben met het spanningsniveau, harmonische vervuiling of een slechte cos-phi. Deze problemen kunnen leiden tot uitval of het defect raken van apparatuur. Anderzijds kunnen ook normen worden overschreden. In al deze gevallen is het nodig maatregelen te nemen.

De ontwikkeling van elektronica in compensatietechnieken

De afgelopen decennia is de prijs van vermogenselektronica drastisch gedaald. Het toepassen van deze elektronica in bijvoorbeeld huishoudelijke apparaten, verlichting, auto’s en in de industrie is hierdoor explosief gestegen. Door de toepassing van deze elektronica kregen ontwikkelaars meer vrijheden, kon er compacter worden gebouwd en werd er bovendien energie bespaard. Waar vroeger elektromotoren werden aangestuurd met behulp en relais of sterdriehoekschakelaar, is nu zichtbaar dat op elk formaat motor toerenregelingen worden toegepast. Van kleine cv-pompen van 50W tot aan grote aandrijvingen tot wel 20 MW. Ook bij verlichting is zichtbaar dat het toepassen van hoogfrequente voorschakel- apparatuur of LED de conventionele smoorspoelen vervangen.

Naast het toepassen van elektronica is ook aangetoond dat bedrijfsprocessen sneller veranderen en dynamischer worden. Bedrijven en instellingen moeten zich sneller kunnen aanpassen aan de veranderende marktomstandigheden.


De ontwikkeling van elektronica en compensatietechnieken
Figuur 2 - De ontwikkeling van elektronica en compensatietechnieken

Vanuit power quality betekent dit ook een verandering. Waar vroeger vaste condensatoren gebruikt konden worden voor de compensatie van een constante belasting en een constant proces blijkt dat in veel gevallen thyristor-gestuurde condensatoren niet de gewenste flexibiliteit of snelheid bieden.

Net als met de ontwikkeling van elektronica blijkt dat deze ook voor compensatietechnieken een gunstig effect heeft als het gaat om flexibiliteit en snelheid. Met behulp van de halfgeleidertechnieken is het actieve filter ontwikkeld.

De werking van een actief dynamisch filter

Een actief dynamisch filter kan worden vergeleken met een antigeluidsinstallatie. De sinusvorm wordt met een hoge frequentie gescand. Indien er afwijkingen worden geconstateerd ten opzichte van de ideale sinusvorm reageert het actief filter. Het filter vergelijkt de afwijking met de ideale sinusvorm (50 Hz grondvorm) en injecteert hierop een tegenstroom welke 180°C verschoven is ten opzichte van de afwijking. Het resultaat hiervan is dat op het aansluitpunt van het actief filter in de installatie de 50 Hz grondvorm van de stroom wordt hersteld.
 

Een actief filter compenseert vervuiling met een “tegenstroom”

Figuur 3 - Een actief filter compenseert vervuiling met een “tegenstroom”

Doordat de stroom van het actief filter naar bijvoorbeeld de transformator geen harmonische vervuiling bevat kan deze ook geen invloed meer uitoefenen op de spanning. De spanning blijft hierdoor ook vrij van vervuiling waardoor deze geen schade meer kan toebrengen aan apparatuur.

De werking van een actief filter
Een actief filter is als het ware een vrij programmeerbare stroombron die ingezet kan worden in elk type installatie. Met behulp van het instellen van de parameters kan gekozen worden op welk type vervuiling het filter zich moet concentreren en tot welke mate hij deze moet elimineren. Dit is een aanmerkelijk verschil met passieve compensatie systemen zoals bijvoorbeeld cos-phi of harmonische compensatie met behulp van condensatoren. Bij de passieve compensatiesystemen wordt het systeem gedimensioneerd naar aanleiding van de mate van vervuiling. Als naderhand de installatie wordt aangepast, bestaat de kans kan een passief systeem wordt overbelast.

Eigenschappen:

  • Volledig dynamisch
  • Niet overbelastbaar
  • Zeer snelle reactietijd
  • Immuun voor resonanties
  • Past zich automatisch aan veranderende omstandigheden
  • Maximale besparingsmogelijkheden worden benut
  • Alle mogelijke PQ- problemen worden geëlimineerd
  • ‘Pauzeert’ indien de belasting laag is
  • Elektronica als wapen tegen elektronica


De snelheid van het filter is in veel gevallen een belangrijke factor om te kiezen voor een actief filter. Wanneer een filter te laat reageert op bijvoorbeeld reactief vermogen of harmonische vervuiling, kan het zijn dat er over- of onder compensatie plaatsvindt. Dit leidt vaak tot nieuwe problemen.

Doordat een filter zich aanpast aan veranderende omstandigheden, is het filter gedurende zijn hele levensduur zeer effectief. Hierdoor worden de hogere investeringskosten over het algemeen snel terugverdiend.

Toepassingen van actieve filters
Doordat een actief filter snel en intelligent is, kan hij vele type netvervuiling compenseren. Daardoor is hij breed inzetbaar en kan hij voor veel verschillende problemen en applicaties worden gebruikt:
 

Probleem Applicatie Voordelen

Harmonischen
  • Frequentieregelaars
  • DC-Drives
  • UPS-systemen
  • Pompstations
  • Rioolwaterzuiveringen
  • Offshore
  • Schepen
  • Ziekenhuizen
  • Havenkranen
  • Voldoen aan normen
  • Beperken impact op andere apparatuur
  • Bescherming investeringen
  • Vergroten beschikbaarheid
  • Betere benutting infrastructuur
  • Commutatie notches
  • Zeer snelle harmonische compensatie
  • Reduceren harmonische in nulleider

Flicker
  • Lasstraten
  • Zwakke netwerken
  • Generatortoepassingen
  • Vlamboogovens
  • Reduceert flicker tot acceptabele waarden
  • Verbetert laskwaliteit en efficiëntie
  • Verwijdert verstoringen en spanningsdips
  • Vergroot betrouwbaarheid installaties

Resonanties
  • Smart Grids
  • Windparken
  • Solarparken
  • Zwakke netten
  • Offshore
  • Schepen
  • Verwijdert resonanties zodat apparatuur ongestoord kan werken
  • Apparatuur kan worden aangesloten
  • Voorkomt falen apparatuur
  • Voorkomst productiestops

Onbalans
  • Datacenters
  • Lasmachines
  • Verlichting
  • Door gebalanceerde belasting verbeterde installatie-efficiency

Cos phi
  • Datacenters
  • UPS-machines
  • Dynamische belastingen
  • Capacitieve belastingen
  • Solarparken
  • Ziekenhuizen
  • Verbetert cos-phi in dynamische belastingen
  • Verbetert capacitieve netten
  • Zorgt voor een stabiele spanning door snelle reactieve compensatie
  • Verbetert betrouwbaarheid door het reduceren van spanningsdips

De inzet van actieve filters in een mini-smart grid

Door de veranderende energiemarkt, de inpassing van meer elektronische componenten en intensivering van het gebruik van elektrische energie zal de vraag naar een hogere beschikbaarheid van de elektrische infrastructuur alleen maar toenemen. Tegelijkertijd is het nodig dat bedrijven sneller van configuratie kunnen wisselen, terwijl de elektrische infrastructuur hier soms niet geschikt voor is of voldoende capaciteit voor heeft.

De bovenstaande veranderingen binnen bedrijven houden in dat er een grote vraag is naar de staat van de elektrische infrastructuur op het gebied van beschikbaarheid. Het kunnen groeien, krimpen, vernieuwen en wijzigen van bijvoorbeeld machines kan alleen plaatsvinden wanneer men voldoende inzicht heeft. Dit inzicht kan worden geboden door het plaatsen van Power Quality Analysers in de elektrische infrastructuur. Met behulp van deze analysers kan continu inzicht worden gegenereerd over de werkelijke beschikbaarheid van de installatie.


Het mini smart grid is een intelligent net dat zich voortdurend aanpast aan de veranderende omstandigheden
Figuur 4 - 
Het mini smart grid is een intelligent net dat zich voortdurend aanpast aan de veranderende omstandigheden

De inzet van actieve filters in een mini-smart grid houdt in dat de installatie zichzelf automatisch aanpast aan veranderende omstandigheden. Of het nu gaat om verandering in afgenomen vermogen, harmonische vervuiling, cos-phi, flickering of onbalans, alle power quality variabelen worden automatisch gecompenseerd. Door de actieve communicatie tussen de power analysers en het filter wordt de capaciteit van het filter ingezet waar het nodig is. Dit concept kan worden toegepast onder andere binnen bedrijven waar productieprocessen snel veranderen of waar de belasting van het bedrijf tegen de grens van de elektriciteitsaansluiting zit. Het gehele concept is met elkaar geïntegreerd waardoor meters, software en ADF’s met elkaar samenwerken.

De inzet van actieve filters bij generatorbedrijf

De inzetten van generatoren heeft tot gevolg dat het net een stuk minder sterk wordt. Vervuilende belastingen hebben hierdoor een veel slechtere spanningskwaliteit tot gevolg. Vooral in situaties waarbij wordt omgeschakeld van netbedrijf naar generatorbedrijf (zoals in ziekenhuizen, datacenters) kan dit problemen tot gevolg hebben. De slechtere spanningskwaliteit leidt tot verhoging van harmonische vervuiling, het blindvermogen, nulstromen, etc.

Het omschakelen van netbedrijf naar generatorbedrijf leidt tot een verslechtering van de spanningskwaliteit 
Figuur 5 - 
Het omschakelen van netbedrijf naar generatorbedrijf leidt tot een verslechtering van de spanningskwaliteit

Een actief filter zal automatisch de filterstroom aanpassen nadat de installatie omgeschakeld is van netbedrijf naar generatorbedrijf. Hierdoor wordt de spanningskwaliteit bij omschakeling nagenoeg contstant gehouden. Dat betekent dat een bedrijfszekere werking van de installatie wordt gegarandeerd, ook na omschakeling naar generatorbedrijf.

Actieve filters of Low Harmonic Drives

Een Low Harmonic Drive is een frequentieregelaar en actief filter gecombineerd in één module. De Low Harmonic Drive regelt de harmonische onderdrukking continu op basis van de belasting en de netcondities zonder de aangesloten motor te beïnvloeden. Low Harmonic Drives zijn een hot-topic in de industrie en hebben het grote voordeel van de geïntegreerde bouwvorm. Toch heeft het toepassen van een actief filter los van de 
frequentieregelaar een aantal grote voordelen:

  • Als de frequentieregelaar kapot gaat is vervanging van een regelaar goedkoper dan een Low Harmonic Drive
  • Losse frequentieregelaar hebben een veel compactere bouwvorm en zijn sneller te leveren
  • De systeemopbouw van actieve filters en losse frequentieregelaars is flexibeler
  • Losse frequentieregelaars hebben een hoger systeemrendement
  • Low Harmonic Drives genereren meer stroomvervuiling in het hogere frequentiespectrum

Installatie en beheer van actieve filters

Bij het toepassen van een actieve filter is het belangrijk eerst de omgevingscondities te kennen. Er dient precies bekent te zijn welke Power Quality issues er spelen. Daarom moet er eerst worden gemeten. De specialisten van fortop helpen u graag bij het uitvoeren van een Power Quality-scan. Op basis van de meetgegevens kan inzicht worden gekregen in de aanwezige verstoring in het net en waar deze voorkomt. Het type vervuiling en mate van de vervuiling zijn input voor de dimensionering calculatie. Daarnaast moet bekend zijn tot welk niveau de vervuiling moeten worden teruggedrongen. Moet er aan specifieke normen worden voldaan, moet er alleen een storingsvrije werking worden gegarandeerd, of moet er ruimte worden gecreëerd in de capaciteit van de elektrische infrastructuur? Op basis van de antwoorden op deze vragen kan de grootte en het type van het actief filter worden bepaald.

Als bekend is welk type, waar en hoeveel actieve filters nodig zijn voor de compensatie van de vervuiling, kan de planning opgesteld worden. Deze installatiewerkzaamheden kunnen worden uitgevoerd door uw eigen huisinstallateur onder begeleiding van de specialisten van fortop. Nadat het systeem inbedrijf is gesteld door de specialisten van fortop, wordt een rapportage en controlemeting uitgevoerd. Met behulp van dit rapport wordt de werking en het resultaat van het ADF aangetoond en getoetst.

Het is mogelijk een onderhoudsovereenkomst met fortop af te sluiten. Dit houdt in dat fortop jaarlijks de werking van de installatie test en controleert, firmware updates uitvoert en adviseert over mogelijk vervolgacties. Het stappenplan ziet er als volgt uit:

Onderzoek, installatie en gebruik

Leveringsprogramma Comsys actieve filters

Binnen het leveringsprogramma wordt gebruik gemaakt van de Comsys ADF-familie actieve filters. Deze actieve filters worden in Zweden vervaardigd en behoren tot de snelste en meest accurate actieve filters in de markt. Door het brede programma en de modulaire opbouw van het systeem is het eenvoudig en flexibel inzetbaar.

Het modulaire concept houdt in dat elke ADF is opgebouwd uit een standaard module (power processors), control computer en behuizing. Wanneer extra compensatie vermogen nodig is kunnen modules worden uitgebreid met dezelfde control computer. Door dit modulaire systeem is het mogelijk in te spelen op de flexibiliteitseisen van de eindgebruikers. Het modulair concept stelt de klant in staat de ADF van 50kVAr, voor een enkele frequentieregelaar, tot circa 6 MVAr, voor bijvoorbeeld wind- en Solarparken, uit te breiden. Elk type ADF maakt gebruik van dezelfde modulaire basistechnologie en is daardoor breed inzetbaar.

 

Bekijk actieve dynamische filters

Praktijkcase 1: Harmonische compensatie

Een drukkerij had regelmatig problemen met de verlichting. Zo moesten ze de hoogfrequente voorschakelapparaten van deze verlichting eens per half jaar vervangen. Twee dagen per week was hier iemand mee bezig. Daarnaast tripte de hoofdschakelaars regelmatig waardoor de drukpers uitviel met productieverlies tot gevolg. Ook raakte hierdoor de besturing van de drukpersen defect. Dit alles leidde tot een flinke financiële schade.

Om tot een oplossing te komen is er eerst een meting verricht naar de kwaliteit van de energievoorziening, de Power Quality Health Check. Tijdens dit onderzoek kwam naar voren dat de problemen werden veroorzaakt door de frequentieregelaars van de drukpersen. Op basis van de metingen en probleemanalyse is er een passende oplossing 
geboden om de klant van haar technische problemen te verlossen. De oplossing bestaat uit zes Actieve Dynamische Filters (ADF). Deze zijn geplaatst bij vier hoofdverdeelkasten die de drukpersen, twee koelmachines en de persluchtcompressoren voedden.
 
De terugverdientijd van deze oplossing zal binnen de twee jaar liggen. De besparingen bestaan uit vermeden kosten vanwege vroegtijdige vervanging van elektronische componenten, productie-onderbrekingen, schade aan de besturing van de persinstallaties, minder overwerk en verlaging van de energiekosten. Het kunnen voldoen aan leveringsverplichtingen levert bovendien een hogere klanttevredenheid op.

Praktijkcase 2: Resonantieproblemen

In een datacenter van een kantoorgebouw in Den Haag waren er problemen met de UPS en statische switch. De apparatuur ging defect doordat de statische switch meerde malen per dag meerdere malen stoorde en hierdoor veelvuldig schakelde. Het doel van deze switch is om zonder spanningsonderbreking te kunnen wisselen van voeding voor de IT-apparatuur zodat deze niet uitvalt bij storingen. Deze switch is echter niet gebouwd voor zo veel schakelacties en ging hierdoor vaak defect. De extra kosten die hiermee gepaard gingen waren circa € 45.000,- per twee jaar.

Na metingen bleek er een relatie te zijn tussen een resonantie in de elektrische installatie, toonfrequentsignaal (voor het schakelen van de openbare verlichting) vanuit de netbeheerder en de tijden dat de storing optrad. Tijdens de meting is vastgelegd dat de storingen overeenkomen met de tijden van het toonfrequentsignaal op het moment dat een resonantie optrad.

Met behulp van een speciaal breedbandfilter van Comsys is het probleem verholpen. Het breedbandfilter zorgt ervoor dat het net van deze klant minder gevoelig wordt voor dit toonfrequentsignaal door de resonantie weg te nemen. Hierdoor blijft het toonfrequentsignaal wel bestaan, maar veroorzaakt het geen resonantie meer. Dit filter is in staat om in het gebied van 50 tot 5000 Hz elke type vervuiling te elimineren op en daardoor ideaal voor het verhelpen van resonantieproblemen.

close-video-button