Ing. PETR BERNAT VŠB - TU Ostrava, FEI, katedra elektrických strojů a přístrojů, ul. 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava – Poruba, tel. 069/699 4468, E-Mail:
[email protected]
DIAGNOSTICKÁ MĚŘENÍ V SOUSTAVĚ MĚNIČ - MOTOR Úvod: Nástup regulovaných pohonů s asynchronními motory napájenými z měničů frekvence přináší kromě nesporných výhod také řadu problémů, které se u „klasických“ pohonů nevyskytovaly. Pomineme-li problémy při vlastním provozu takového pohonu, zůstane nám celá oblast vývoje a zkoušení takto koncipovaného pohonu. Při požadavku měřit běžné elektrické veličiny (napětí, proudy a výkony) i některé veličiny neelektrické (oteplení a mechanické momenty) zjistíme, že pomocí běžně používaných měřicích přístrojů nedokážeme naměřit reálné hodnoty. Měřicí systém těchto přístrojů stavěný na harmonický průběh měřených veličin si s impulsním průběhem veličin v soustavě napájení motoru z měniče a napájení měniče ze sítě nedokáže poradit. Výsledkem je přídavná chyba měření, která i u přístrojů s třídou přesnosti 0,5 a vyšší dosahuje dle charakteru průběhu běžně řádu několika desítek procent. Vysoká přepětí, která se vyskytují především na výstupní straně měniče pak prakticky vylučují použití běžných měřicích sond z důvodu dalšího zkreslení signálu, nebo nebezpečí jejich poškození. Neharmonický průběh obvodových veličin, především mezi vlastním měničem a motorem, ale také na síťové straně měniče, přináší kromě nežádoucího vysokofrekvenčního vyzařování také nové problémy, které se týkají především nesprávné funkce ochran a vzájemného ovlivňování pohonů. V příspěvku je popsán jeden ze způsobů měření výkonu a jeden z konkrétních problémů s nesprávnou funkcí ochran. Měření výkonů: V praxi se u pohonů setkáváme s požadavky na měření obvodových veličin pro účely funkční diagnostiky jednotlivých částí pohonu. Pro potřeby určování účinnosti jednotlivých komponentů pohonu tj. v praxi rozložení ztrát mezi měnič, motor, výstupní tlumivky měniče a kabel jsme často postaveni před nutnost přesného měření výkonu v jednotlivých bodech soustavy motor - měnič. Mechanický výkon na výstupu motoru lze určit pomocí dynamometru, měření ostatních výkonů je komplikováno výše uvedenými důvody. Vyloučíme-li kalorimetrickou metodu určování ztrát, která je jistě nejpřesnější ale z praktických důvodů téměř neproveditelná, zbývá nalézt vhodný přístroj nebo metodu pro měření elektrických veličin. Relativně nejpřesnější se ukázalo měření proudu a napětí pomocí přístrojů s tepelným systémem (termokřížem). Jejich značnou nevýhodou je vedle nedostupnosti především minimální přetížitelnost a nemožnost odlišit činný výkon. Proto jsme pro měření použili metodu měření okamžitých výkonů [1], [2]. Metoda využívá korektní výkonové teorie [1], vytvořené pro výzkum jevů v reálných elektrických obvodech s neharmonickými průběhy obvodových veličin, typicky tedy i pro náš případ. Princip metody je ve stručnosti založen na měření okamžitých hodnot (vzorkování) základních obvodových veličin tj. proudu a napětí. Z těchto veličin pak získáme výpočtem veličiny odvozené, v našem případě tedy průběhy a velikosti jednotlivých výkonů. Metoda je určena jak pro lineární, tak i pro nelineární obvody.
Metoda okamžitých výkonů je odvozena ze zákona o zachování energie a Kirchhoffových zákonů. Z naměřených okamžitých hodnot periodických průběhů proudu a napětí v příslušném obvodu lze získat výpočtem jednak okamžitý výkon, jednak průběh činného a jalového výkonu, vlastní hodnoty výkonů jsou pak definována jako průměry za dobu jedné periody. Činný výkon je aritmetický průměr ze součinu okamžitých hodnot napětí a proudu, zdánlivý výkon je geometrický průměr z aritmetického průměru druhé mocniny okamžitých hodnot napětí a aritmetického průměru druhé mocniny okamžitých hodnot proudu. Napíšeme-li vztahy pro výpočet okamžitých veličin x(t), získáme rovnici pro okamžitý činný výkon: u 2 (t ) p p (t ) = u (t ) ⋅ i p (t ) = = u p (t ) ⋅ i (t ) = Ri 2 (t ) (1) R indexy p značí v tomto případě činný výkon. Činný okamžitý výkon nabývá v kterémkoliv čase nezáporných hodnot p p (t ) ≥ 0 . Střední hodnota okamžitého činného výkonu (jeho průběhu za dobu jedné periody se rovná právě velikosti činného výkonu: T T 1 R p p (t )dt = ∫ i 2 (t )dt =RI 2 = P (2) ∫ T 0 T 0 Okamžitý jalový výkon pak můžeme určit dle rovnice: p Q (t ) = p (t ) − P p (t ) (3) kde index Q označuje jalový okamžitý výkon. Střední hodnota okamžitého jalového výkonu je rovna nule: T T T T 1 1 1 1 p (t )dt = ∫ p (t ) − p p (t ) dt = ∫ p (t )dt − ∫ p p (t )dt = 0 (4) T ∫0 Q T 0 T 0 T 0
[
]
Z rovnice 1 pak vyplývá, že při nenulových okamžitých hodnotách periodického průběhu napětí a proudu v příslušném obvodu má okamžitý činný výkon pulzující průběh, střední hodnota tedy nabývá kladných hodnot, okamžitý jalový výkon má střídavý průběh, střední hodnota jalového výkonu za periodu je proto rovna nule. S použitím výše uvedených vztahů jsme na našem pracovišti prováděli měření výkonů na pohonu s frekvenčním měničem. Srovnávali jsme při měření výsledné hodnoty výkonu s údaji měřicích přístrojů a s údajem o výkonu motoru na měniči a dynamometru. K měření jsme použili proudová LEM čidla v silovém obvodu, napětí jsme snímali pomocí diferenciální napěťové sondy. Okamžité hodnoty jsou vzorkovány A/D převodníkem a následně zpracovány pomocí programu na PC. Dále je uveden příklad určení výkonů na straně napájení měniče ze sítě.
Obr. 1. Průběh obvodových veličin na straně napájení měniče ze sítě (v jedné fázi) Z měniče frekvence je napájen asynchronní čtyřpólový motor, výkon na hřídeli je měřen pomocí dynamometru. Z průběhu proudu je dobře patrný impulsní průběh, daný konstrukcí vstupní části měniče (šestipulsní diodový usměrňovač nabíjející kondenzátor napěťového meziobvodu).
Obr.2. Průběh okamžitého výkonu. Průběh okamžitého výkonu je získán výpočtem součinů okamžitých hodnot proudu a napětí, v praxi tedy provedením součinů odpovídajících vzorků obou veličin v daném časovém okamžiku. Na obr.2. je tento součin zobrazen tečkovanou čarou. Dle výše uvedených vztahů lze z tohoto průběhu dále získat efektivní hodnotu činného výkonu jako střední hodnotu (průměr) okamžitých hodnot za dobu jedné periody periodického průběhu, v našem případě za 20ms (jedná se o průběh napětí a proudu na straně napájení měniče ze sítě). Výsledné hodnoty jsou shrnuty v následující tabulce: Způsob měření výkonu: údaj Wattmetru výkon měřený dynamometrem na hřídeli motoru údaj o výkonu motoru na displeji měniče činný výkon pomocí okamžitého výkonu
naměřená hodnota: 6860W 3943W 3720 až 3840 W 4028W
Příkon řídících obvodů měniče a ventilátoru byl naměřen ve velikosti 140W, srovnáme-li tedy výše uvedené údaje vidíme, že nejblíže skutečné, dynamometrem naměřené hodnotě činného výkonu je právě výkon určený měřením okamžitých hodnot obvodových veličin. Údaj o výkonu motoru měniče na jeho displeji je pro odečet příliš hrubý (zobrazuje se v procentech jmenovitého výkonu měniče, kolísání údaje je zachyceno jako pásmo možných výkonů). Nejdále od reálné hodnoty výkonu je pak údaj naměřený klasickými Wattmetry. Výhody použití metody měření okamžitých výkonů jsou z výše uvedeného srovnání dostatečně patrné. Na straně výstupu z měniče pak tato metoda představuje jediný reálný způsob určení velikostí výkonů, měření je však již náročnější na měřicí přístroje (čidlo proudu a napětí s galvanickým oddělením) a způsob zpracování (pro dosažení reálných výsledků by vzorkovací frekvence pro věrné zachycení průběhu veličin měla být alespoň desateronásobkem spínací frekvence, tedy min 100kHz). V případě nutnosti měření ve všech bodech pohonu je toto řešení použitelné i za cenu použití náročnějšího přístrojového vybavení.
Ovlivnění funkce nadproudových ochran: Prakticky velmi nepříjemný je vliv nesinusových proudů na funkci nadproudových ochran u běžně používaných jističů. Průběh fázového proudu je dále ovlivněn kapacitou vedení mezi motorem a měničem. Kapacita vedení způsobuje další průchod proudových pulsů, které se přidávají k zatěžovacímu proudu motoru. Ochrany motorů pak vypínají mnohem dříve než odpovídá nastavené hodnotě při sinusovém napájení. Velmi zajímavě se choval pohon elektrárenského agregátu, u něhož bylo 12 asynchronních motorů o výkonu 2,2 kW napájeno z jednoho frekvenčního měniče. Délka vedení mezi měničem a každým motorem byla 100 m. Každý kabelový přívod k motoru byl jištěn klasickou nadproudovou ochranou s bimetalem. Ochrana byla nastavena na jmenovitý proud motoru. Tento pohon nebylo možno uvést do provozu, neboť okamžitě po zapnutí zapůsobily nadproudové ochrany všech 12 motorů. Pro odstranění této závady byla do přívodu každého motoru zabudována tlumivka a tím byl celý problém zdánlivě vyřešen. Pro prošetření příčin uvedených potíží jsme ampérmetrem s tepelným členem změřili proud jedné fáze s tlumivkou a bez tlumivky, v obou případech byl proud pod jmenovitou hodnotou vypínacího proudu ochrany a nebyl tedy žádný důvod pro její působení. Průběh proudu bez tlumivky a při zařazení tlumivky je na obr. 3. Na obrázku jsou patrné značné rušivé pulsy způsobené spínací frekvencí měniče. Jejich maximální hodnota přesahovala 17 A, zatímco hodnota RMS byla 3,62 A. Při zařazení tlumivky byly maximální špičky něco přes 4 A a RMS 2,55 A.
Obr. 3. Průběh proudu do motoru před a po zařazení tlumivek na výstup měniče Z naměřených efektivních hodnot proudu se dá jednoznačně konstatovat, že při činnosti pohonů bez tlumivek nejsou žádné důvody pro vypínání jističů, neboť efektivní hodnota proudu motoru je hluboko pod jmenovitou hodnotou. Motor tedy v tomto případě nemohl být proudově přetěžován. Důvodem vybavování jističů je jejich nevhodnost pro použití při napájení nesinusovým proudem a zvláště proudem v němž jsou v okolí měničů nasuperponovány rušivé špičky od spínací frekvence. Vlivem vířivých proudů, které se indukují v tepelném čidlu, dochází k falešnému působení ochran. Na uvedených pohonech elektrárenského agregátu byla vyzkoušena elektronická ochrana 193-EA1FB. Tato ochrana nevybavovala, a to ani při činnosti pohonu bez tlumivky. Pro srovnání byly měřeny v laboratoři vypínací charakteristiky obou ochran při napájení sinusovým proudem ze sítě i nesinusovým proudem z měniče. U běžné ochrany s bimetalem byla zjištěna značná citlivost na rušivé špičky při nesinusovém napájení. Ochrana pak vypínala již při méně než polovině jmenovitého proudu.
Z výše uvedeného je patrné, že u střídavých regulačních pohonů napájených z měničů frekvence, by pro jištění měly být používány elektronické ochrany, které nejsou citlivé na rušivé pulsy způsobené měniči. To platí zvláště tam, kde je soustředěno více měničů.
Literatura: [1]
Kijonka, J.: Okamžité výkony v soustavě trojfázového napěťového střídače. Habilitační práce, VŠB Ostrava 1991
[2]
Kijonka, J., Bednár, I.:Experimentální ověření teorie okamžitých výkonů. Sborník přednášek - Mezinárodní vědecká konference, sekce 21, Ostrava 12. - 14. Září 1995
[3]
Bednár, I., Orság, P.: Měřicí systém pro diagnostiku okamžitých výkonů a vibrací. Sborník přednášek - Mezinárodní vědecká konference, sekce 21, Ostrava 12. - 14. Září 1995
[4]
Chmelík, K., Čech, V., Bernat, P.: Namáhání asynchronních motorů při napájení ze statických měničů. Závěrečná zpráva ke grantu reg. č.: 102/96/0815
