Frekvenčně řízené elektrické pohony a jejich elektromagnetická kompatibilita

Frekvenčně řízené elektrické pohony a jejich elektromagnetická kompatibilita Jaroslav Novák ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav přístrojové a řídící techniky Článek se zabývá problematikou rušivých vlivů generovaných frekvenčními měniči s napěťovým meziobvodem a šířkově pulzní modulací pro střídavé pohony. Článek se orientuje na tuto problematiku z pohledu běžné průmyslové praxe a má být pomůckou zejména pro projektanty, provozní a servisní techniky při návrhu a provozu uvedených zařízení. Má zároveň poskytnout inspiraci při operativním řešení problémů při oživování a provozu frekvenčně řízených pohonů. V první části jsou shrnuty rušivé vlivy frekvenčních měničů a jsou uvedeny zásady pro instalaci pohonů s frekvenčními měniči z hlediska elektromagnetické kompatibility. V druhé části je uvedeno několik příkladů konkrétních problémů s rušením z autorovy praxe a jejich řešení. 1. Úvod Současná situace v oblasti užití elektrické energie je charakterizována rychlým nárůstem počtu aplikací, kde se uplatňují výkonové spínací tranzistory pracující s vysokými spínacími frekvencemi, s vysokými strmostmi napětí a proudu a často s velkými výkony. Tento stav s sebou přináší vznik celého spektra problémů, které souvisí s rušivými účinky, které negativně ovlivňují jak funkci okolních zařízení, tak i zařízení samotného. Velmi aktuální je tento problém v oblasti frekvenčních měničů pro střídavé elektrické pohony, kde se uplatňuje šířkově pulzní modulace, často při značných výkonech. I když byla řada informací o řešení problémů elektromagnetické kompatibility frekvenčních měničů již publikována a některé informace jsou dostupné z firemní provozní dokumentace, je opakovaný a častý výskyt těchto problémů motivem k napsání tohoto článku, který shrnuje důležité zásady a prezentuje i konkrétní příklady řešení vzniklých problémů. Hned v úvodu je nutno poznamenat, že problémy elektromagnetické kompatibility jsou velmi obtížně řešitelné analytickými metodami i v laboratorních podmínkách, tím méně v podmínkách průmyslového provozu. Řešení elektromagnetické kompatibility frekvenčních měničů potom spočívá zejména v dodržování určitých zásad při projekci, realizaci i provozu pohonu a v případném vyhodnocování rušivých účinků měřením. I při dodržení všech zásad však nelze mít předem jistotu, že problémy s rušením nevzniknou. Při odstraňování těchto problémů u konkrétního zařízení se pak uplatňují zejména empirické postupy. Předkládaný článek je zaměřen především na otázky týkající se rušivých vlivů frekvenčních měničů a jejich odstraňování v podmínkách průmyslové praxe. 2. Standardní provedení frekvenčního měniče a klasifikace problémů jeho elektromagnetické kompatibility V průmyslových pohonech se pohon s asynchronním motorem napájeným z frekvenčního měniče stal standardem. V oblasti servopohonů napájí frekvenční měnič nejčastěji synchronní motory s permanentními magnety. Výkonová část frekvenčního měniče je v obou skupinách pohonů stejná. Nejstandardnější provedení frekvenčního měniče pro průmyslové pohony lze charakterizovat následujícími znaky: - vstupní usměrňovač je realizován nejčastěji trojfázovým (v případě malých výkonů někdy i jednofázovým) diodovým můstkem - výstupní napětí usměrňovače je vyhlazeno kondenzátorem

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

-

v případě potřeby generátorického brzdění pohonu je ke stejnosměrnému obvodu připojena brzdná jednotka s odporem - IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) výstupní střídač - výstupní napětí střídače je formováno šířkově pulzní modulací s frekvencí nejčastěji v rozsahu 1 až 20 kHz Rušivé vlivy těchto frekvenčních měničů lze rozčlenit do následujících skupin: - rušivé vlivy na napájecí síť – frekvenční měnič odebírá nesinusový proud, pracuje se špatným činitelem výkonu λ = P/S (obdoba účiníku, avšak se zohledněním vyšších harmonických) a zatěžuje síť vyššími harmonickými, spektrum harmonických i λ se mohou rychle měnit - rušivé vlivy na výstupu měniče – nepříznivé vlivy na motor, zejména vyšší napěťové namáhání motoru, vyšší hluk, přídavné tepelné ztráty, vyšší zvlnění momentu - vysokofrekvenční elektromagnetické rušení – sleduje se zejména pásmo 150kHz – 30MHz – uplatňuje se na vstupu i výstupu měniče a může rušit HDO, zabezpečovací systémy, rádiový a televizní přenos, řídící a měřící systémy atd. Odstínění rušivých vlivů se zabezpečuje zejména prostřednictvím: - vstupních odrušovacích prostředků - výstupních odrušovacích prostředků - celkového vhodného řešení pohonu z hlediska elektromagnetické kompatibility Obecné provedení frekvenčně řízeného pohonu včetně aplikace vstupních a výstupních odrušovacích prostředků je uvedeno na obr. 1.

Obr. 1. Frekvenční měnič se vstupními a výstupními odrušovacími prostředky 3. Normy Požadavky na omezení rušivých vlivů elektronických zařízení a zároveň na odolnost vůči vnějším rušivým vlivům jsou zakotveny v příslušných normách. Pro frekvenční měniče mají hlavní význam následující normy: - ČSN EN 61000-6-1 – Elektromagnetická kompatibilita – odolnost – prostředí obytné, obchodní a lehkého průmyslu - ČSN EN 61000-6-2 – Elektromagnetická kompatibilita – odolnost – průmyslové prostředí


-

ČSN EN 61000-6-3 – Elektromagnetická kompatibilita – emise – prostředí obytné, obchodní a lehkého průmyslu ČSN EN 61000-6-4 – Elektromagnetická kompatibilita – emise – průmyslové prostředí ČSN EN 55011 – Elektromagnetická kompatibilita – definice limitů emisí VF rušení pro pohony

4. Odrušení na vstupu měniče – vstupní filtr Nutnost odrušení měniče se vstupním diodovým usměrňovačem na straně sítě je dána charakterem odebíraného proudu. Proud je tvořen úzkými vysokými pulzy, které se uplatňují v intervalech, kdy je okamžitá hodnota síťového napětí vyšší než napětí kondenzátoru v meziobvodu. V případě trojfázového usměrňovače se jedná o dva pulzy v jedné půlperiodě síťového napětí, v případě jednofázového usměrňovače se v jedné půlperiodě vstupního napětí vyskytuje jeden puls. Veškerou energii ze sítě musí měnič odebrat během těchto krátkých časových intervalů. Na obr. 2 je příklad průběhu vstupního proudu měniče se vstupním trojfázovým diodovým usměrňovačem.

Obr. 2 Vstupní proud měniče s motorem 4kW Z předchozího obrázku je zřejmé, že proud je značně nesinusový s velkým obsahem vyšších harmonických. Z hlediska odrušovacích prostředků rozlišujeme odrušení vstupu měniče vysokofrekvenční a nízkofrekvenční. K odstínění vysokofrekvenčního rušení se používá vstupní odrušovací filtr – obr.1. Tento filtr je ve spojení s frekvenčním měničem nutno použít vždy. Frekvenční měniče některých výrobců mají tento filtr integrován. .Vstupní filtr zabraňuje pronikání radiového rušení v rozsahu 150kHz až 30MHz do sítě. Vstupní LC filtry jsou zapojeny jako L články nebo π články Při použití vstupního filtru musí být součet vstupních proudů roven součtu proudů výstupních. Předpokládá-li se průchod proudu středním pracovním vodičem, musí se použít čtyřvodičový filtr, u kterého jsou připojeny filtrační kondenzátory i na střední vodič. V tomto případě se musí důsledně oddělit ochranný a pracovní střední vodič. Ve spojení s filtrem se mohou vyskytovat výpadky proudového chrániče při zapínání měniče. V tomto případě je třeba použít čtyřvodičový filtr nebo použít proudový chránič se zpožděním. Filtry se dimenzují podle vstupního proudu měniče a snesou obvykle proudové přetížení 150% po dobu cca. 2. minut. U větších filtrů je třeba počítat i s jejich ztrátovým výkonem. Při proudech cca. 100A mají filtry ztráty řádově desítky W. Je třeba počítat s tím, že filtr odebírá jalovou složku proudu. Při paralelním chodu více měničů je možno použít jeden společný filtr dimenzovaný na součtový proud všech měničů.


5. Odrušení na vstupu měniče – vstupní tlumivky Aby se zlepšilo harmonické spektrum proudu a snížilo zatížení diod vstupního usměrňovače špičkovými hodnotami vstupního proudu, je nutno na vstup měniče zapojit vstupní tlumivky - obr. 1. Použití tlumivek je nutné zejména v případě tvrdé napájecí sítě, je-li síťový přívod dimenzován na více než desetinásobek jmenovitého vstupního proudu měniče. U pohonů menších výkonů, cca. do 5kW, není někdy nutno, zejména v případě měkké napájecí sítě, tlumivky používat. Někteří výrobci integrují vstupní tlumivky do měniče, někdy i za vstupní usměrňovač na vstup stejnosměrného meziobvodu. Při použití externího vstupního filtru a externích tlumivek nezáleží na pořadí připojení těchto prvků. Při paralelním chodu měničů musí být každý měnič připojen přes separátní tlumivky. Na tlumivkách vzniká úbytek napětí, ten by neměl být vyšší než 5%. Úbytek stejného charakteru může vznikat v případě měkké sítě na její vnitřní impedanci. Tento úbytek nevzniká po dobu celé periody napájecího napětí, ale jen v časových intervalech, kdy přes usměrňovač protéká proud, který dobíjí kondenzátor v meziobvodu, tj. v okolí amplitudy síťového napájecího napětí. Úbytek může mít dvojí negativní účinek. Jedná se jednak o deformaci napájecího napětí v případě měkké sítě. Navíc se však díky snížené amplitudě vstupního napětí snižuje napětí na které je nabíjen kondenzátor v meziobvodu. V důsledku poklesu napětí meziobvodu klesá při jmenovité výstupní frekvenci měniče efektivní hodnota výstupního napětí a tím výrazně i moment motoru. I když efektivní hodnota vstupního napětí klesá minimálně, pokles napětí ve stejnosměrném meziobvodu může být až přes 10%, neboť vstupní napětí klesá jen v intervalech, kdy se přes usměrňovač dobíjí kondenzátor meziobvodu. Popsaný jev může být zvláště výrazný zejména u měničů s jednofázovým napájením. Řešením je v tomto případě snížení indukčnosti vstupních tlumivek. Se zvyšujícím se jmenovitým proudem se indukčnost doporučených tlumivek snižuje – např. pro jmenovitý vstupní proud měniče 5A je doporučená indukčnost 10 mH, pro 20A je doporučená indukčnost 1mH a pro 80 A je doporučená indukčnost 0,4 mH. V dokumentacích ke frekvenčním měničům se často uvádějí doporučené hodnoty indukčností vstupních tlumivek podle výkonu měniče. Dimenzování tlumivek je nutno věnovat náležitou pozornost. Při příliš malé indukčnosti tlumivek nedojde k dostatečnému omezení špiček proudu, při příliš velké indukčnosti může docházet k příliš velkému poklesu napětí meziobvodu a ke zpožděnému vybavování nadproudových ochran. 6. Odrušení na vstupu měniče – kompatibilní usměrňovač Efektivním řešením kompatibility měniče se sítí je použití vstupního kompatibilního usměrňovače místo usměrňovače diodového. Problematika těchto měničů byla již publikována, proto uveďme jen nejzákladnější informace pro úplnost. Jedná se v principu o střídač, který je střídavou stranou připojen k síti a stejnosměrnou stranou na vstup stejnosměrného meziobvodu. Kompatibilní usměrňovač pracuje se šířkově pulzní modulací a kritériem řízení je udržení požadovaného napětí na kondenzátoru v meziobvodu, odběr sinusového proudu ze sítě a odběr minimálního jalového výkonu. Kromě toho je umožněn při generátorickém brzdění chod energie ve směru od motoru do sítě. Při generátorickém brzdění se tedy nemusí používat brzdný odpor a brzděná energie se vrací do sítě. V případě měkké napájecí sítě lze kompatibilním usměrňovačem i filtrovat vyšší harmonické sítě či kompenzovat jalový výkon. Podmínkou pro realizaci popsaných funkcí je, aby bylo napětí kondenzátoru v meziobvodu vyšší než amplituda síťového napětí. Frekvenční měniče s kompatibilními usměrňovači jsou na trhu k dispozici, avšak zpravidla až od výkonu cca. 10kW. Jejich nevýhodou je vyšší cena. Proto nacházejí uplatnění zejména v pohonech, kde se předpokládají delší intervaly generátorického brzdění.


7. Rušivé vlivy na výstupu měniče – napěťové a proudové špičky Spínací doba IGBT ve střídači, který pracuje se šířkově pulzní modulací, se pohybuje od 0,1 µs do 1 µs. Tomu odpovídá strmost změny napětí až 5000 V/µs. U některých měničů je spínací doba záměrně prodlužována díky konstrukci budiče IGBT, avšak nárůst této doby je limitován velikostí spínacích ztrát polovodičového prvku. Při velkých strmostech se již mohou začít výrazně projevovat parazitní vlivy způsobené odpory, kapacitami, indukčnostmi a svody kabelu mezi motorem a měničem. Element vedení s těmito prvky je na obr. 3.

Obr. 3. Element vedení s parazitními prvky Např. u kabelu CYSYx1,5mm2 se při frekvenci 1,5MHz uvádějí hodnoty: R=0,047Ω/m, C=0,12nF/m, L=0,343µH/m, G=33,3µS/m, přičemž s frekvencí se parametry mění. Po připojení napětí na kabel postupuje kabelem napěťová vlna, která zčásti projde a zčásti se odrazí v místě změny impedance kabelu. Dojde-li vlna na rozpojený konec kabelu, zcela se odráží ve stejné polaritě. Je-li konec kabelu zkratován, odráží se vlna v opačné polaritě. Měnič se jeví jako napěťový zdroj s minimální vnitřní impedancí, naopak impedance motoru je z hlediska vlnových jevů velká a motor se chová jako rozpojený konec kabelu. Kdyby nedocházelo k útlumu na kabelu, bylo by výsledné napětí v daném místě dáno interferencí působících vln – obr.4.

Obr. 4 Interference napěťových vln na vedení mezi měničem a motorem


Na svorkách motoru i měniče může vlivem vlnových jevů docházet ke vzrůstu okamžité hodnoty napětí až na cca. dvojnásobek napětí meziobvodu . Velikost těchto špiček je nezávislá na spínací frekvenci šířkově pulzní modulace a na zatížení motoru. Velikost přepěťových špiček závisí pouze na parametrech kabelu a strmosti vzrůstu napětí. V motoru je namáhána těmito špičkami izolace fázová mezi vodiči různých fází, izolace hlavní mezi vinutím a kostrou i izolace vinutí izolující od sebe jednotlivé části téhož vinutí. Zvýšené napěťové namáhání způsobuje zrychlené stárnutí izolace a zvyšuje riziko průrazu. Toto nebezpečí je velké zejména u starších motorů. Konstrukce novějších motorů již počítá s možností napájení z polovodičového měniče a tomu odpovídá i zvýšená elektrická pevnost použité izolace – do 1100V u izolace fázové a hlavní a do 800V u izolace vinutí. Uvedené hodnoty platí pro izolaci třídy F do 155°C. Vliv parazitních parametrů kabelu se zpravidla zvyšuje s rostoucí délkou kabelu, ale existují vyjímky. Zmenšení délky kabelu vede ke zmenšení svodu a odporu. Tento vliv může dominovat nad zmenšením L a C a dojde ke zmenšení tlumení a zvětšení vlivu vlnových jevů na kabelu. Jiným případem je existence určité kritické délky kabelu, při které se vlna napětí vrátí po úplném odrazu na začátek vedení v okamžiku dosažení maximálního výstupního napětí měniče. Např. je-li rychlost vlny rovna polovině rychlosti šíření světla a strmost vzrůstu napětí na výstupu měniče je 5000V/µs, je kritická délka 15m. Kromě napěťových špiček se mohou na výstupu měniče vyskytovat i proudové špičky, dané proudy které nabíjejí parazitní kapacity kabelu – např. u kabelu délky 150m mohou tyto špičky dosahovat až 10A i bez připojeného motoru. Trvání těchto proudových špiček může dosahovat až jednotek µs. Tyto proudové špičky mohou způsobovat vybavování nadproudových ochran měniče. 8. Další rušivé vlivy na výstupu měniče Napájení motoru z frekvenčního měniče se může projevovat zvýšeným hlukem motoru. Nejvíce se tento jev projeví při frekvencích šířkově pulzní modulace do 8 kHz. Slyšitelný hluk se výrazně eliminuje při zvýšení frekvence šířkově pulzní modulace nad 10kHz. Je však třeba mít na paměti, že se může zvýšit elektromagnetické rušení, zároveň se zvyšují spínací ztráty v měniči a s tím zpravidla souvisí omezení výstupního proudu. Na hlučnost má vliv i provedení motoru a elektroinstalace. Vzhledem ke skutečnosti, že okamžitá hodnota momentu motoru je dána průběhem magnetického toku a fázového proudu a vzhledem k tomu, že proud je při napájení z měniče zatížen vyššími harmonickými, projeví se v tomto případě i vyšší zvlnění momentu. Zvlnění momentu závisí na konstrukci stroje a frekvenci a algoritmu šířkově pulzní modulace. Vyšší zvlnění momentu při napájení motoru z frekvenčního měniče nemá ve většině případů praktický dopad, v ojedinělých případech však může vzniknout nebezpečí vzniku rezonance s mechanickými částmi zařízení. Při napájení z frekvenčního měniče dochází ke zvýšení ztrát motoru vlivem vyšších harmonických. Zvýšení ztrát závisí na konstrukci motoru a frekvenci a algoritmu šířkově pulzní modulace. Vzhledem ke skutečnosti, že z hlediska vyšších harmonických pracuje asynchronní motor v podstatě se skluzem s=1, jsou tyto ztráty prakticky ztrátami nakrátko, tj. Jouleovými. Lze předpokládat, že celkové ztráty motoru se vlivem ztrát způsobených vyššími harmonickými zvýší o jednotky procent. S tímto faktem je třeba počítat při dimenzování motoru a při návrhu jeho chlazení. V běžných aplikacích, kde se při dimenzování počítá vždy s určitou rezervou, nemusí být zpravidla tyto ztráty zvlášť zohledňovány. 9. Odrušovací prostředky na výstupní straně měniče Rozhodujícím kritériem pro použití odrušovacích prostředků na výstupu měniče je délka kabelu k motoru. Je-li kabel kratší než 20 až 30 m, výstupní odrušovací prostředky se zpravidla nepoužívají. Při větší délce kabelu je použití výstupních odrušovacích prostředků vždy nutné. I při menších délkách je však nutno postupovat podle podmínek konkrétní aplikace.


Nepříznivé vlivy měniče na výstupu lze omezovat několika způsoby. První možností je zapojení výstupních tlumivek. Ty omezí strmost nárůstu napětí du/dt na svorkách motoru a velikost proudových a napěťových špiček. Indukčnost výstupní tlumivky se pro daný měnič volí přibližně jako třetina indukčnosti vstupní tlumivky. Například při použití kabelu 150m mohou dosahovat špičky napětí na motoru až 2,2 násobku napětí meziobvodu, při vřazení tlumivky 0,42 mH se sníží du/dt na 200 až 300 V/µs a napěťové špičky se sníží na cca. 1,7 násobek napětí meziobvodu – na výrazné snížení špiček napětí motoru má vliv snížení du/dt pod 500 V/µs. Další možností omezení nežádoucích vlivů na výstupu měniče je zapojení filtrů du/dt. Jejich vliv je podobný jako vliv výstupních tlumivek a jsou často dodávány výrobci měničů jako doplňky. Filtry du/dt snižují strmost napětí pod 500V/µs. Při napětí napájecí sítě 400V nepřesahují při použití filtru du/dt přepěťové špičky na motoru 1000V. Neúčinnějším výstupním odrušovacím prostředkem je sinusový filtr. Ten téměř beze zbytku eliminuje rušivé účinky šířkově pulzní modulace, tj. na výstupu sinusového filtru je prakticky sinusové napětí – obr. 5, výstupní proud je rovněž sinusový. Kromě odstínění nežádoucích účinků na motor sinusový filtr výrazně omezuje i elektromagnetické rušení. Sinusový filtr je řešen nejčastěji jako LC gama článek. Například u sinusových filtrů pro motory řádově jednotek kW je indukčnost tlumivek na feritovém jádru v nenasyceném stavu desítky mH a kapacita kondenzátorů jednotky µF. Je však třeba počítat s nezanedbatelným s úbytkem napětí na sinusovém filtru, který může dosahovat až 10%. I když je sinusový filtr vysoce účinným odrušovacím prostředkem, jeho použití není příliš běžné díky poměrně vysoké ceně. Ta dosahuje až třetiny ceny souvisejícího měniče.

Obr. 5 Výstupní napětí sinusového filtru Následující tabulka uvádí orientační srovnání jednotlivých výstupních odrušovacích prostředků. V tabulce je uvedena možná délka kabelu mezi měničem a motorem 4kW v závislosti na druhu odrušovacího prostředku. Případná větší délka připojovacího kabelu musí být zohledněna při volbě a dimenzování odrušovacího prostředku. Stíněný kabel 30m

Tlumivky+stíněný kabel 100m

Filtr du/dt+stíněný kabel Sinus filtr+nestíněný kabel 100m 250m

Tab. 1 Srovnání výstupních odrušovacích prostředků


10. Obecné zásady pro instalaci frekvenčně řízených pohonů z hlediska elektromagnetické kompatibility Velký význam má pro omezení rušivých vlivů správné provedení stínění. Stínění využívá principu Faradayovy klece. V případě dokonalé Faradayovy klece není nutné její uzemňování. V ideálním případě dokonalého odstínění by Faradayova klec obepínala celou soustavu pohonu – motor, měnič i kabeláž – obr. 6.

Obr. 6 Ideální odstínění elektrického pohonu To samozřejmě není v praktických případech možné a proto je snaha se v reálných případech tomuto stavu maximálně přiblížit. Pro řídící signály je třeba používat stíněné kabely a stínění je nutno spojit se zemí na jednom nebo na obou koncích – volba jednostranného nebo oboustranného zemnění stínění je závislá na konkrétní aplikaci. Vždy je třeba používat stíněný silový kabel mezi motorem a měničem. Stínění se u tohoto kabelu spojí se zemí na obou koncích. Jedinou vyjímkou je použití sinusového filtru. V tomto případě se doporučuje použití stíněného kabelu s oboustranně uzemněným stíněním mezi měničem a filtrem, mezi sinusovým filtrem a motorem již lze zpravidla použít kabel nestíněný. Je třeba mít na zřeteli, že stíněný kabel má větší parazitní kapacitu než kabel nestíněný, což se může negativně projevovat velkými špičkami nabíjecích proudů těchto kapacit při zapnutí pohonu. V případě, že je vzdálenost mezi vstupním odrušovacím filtrem a měničem větší než cca. 30 cm, doporučuje se i pro tento silový spoj použít stíněný kabel s oboustranně uzemněným stíněním. Stínění kabelů má být provedeno měděným opletením, stínění realizované např. uložením kabelu do trubky je nevhodné kvůli vysoké impedanci. Při montáži v rozvaděči je nutno, aby byl zabezpečen vodivý styk měniče a montážní desky v co největší ploše, tzn. není vhodné používat lakované montážní desky či umísťovat měnič na sloupky. Při připojování stínění na konci kabelu je nutno dbát na to, aby byla co nejmenší styková přechodová impedance, tj. připojení musí být provedeno co největší plochou. Proto se doporučuje provádět připojení stínění přes kovovou průchodku či pomocí upevňovacího pásku. Významným krokem k ochraně proti rušení je správné provedení elektroinstalace. Spolu související páry signálových vodičů mají být vedeny společně, odolnost proti zarušení se zvýší vzájemným spletením těchto vodičů. V rozvaděči je třeba prostorově oddělit silové a řídící komponenty, tj. oddělit např. stykače, tlumivky, měniče od regulátorů, čidel a PLC. Prostorové oddělení je vhodné doplnit oddělením vodivou přepážkou. V rozvaděči i mimo rozvaděč je nutné, aby byly silové a řídící vodiče prostorově odděleny cca. na vzdálenost 20cm. Souběžně by silové a řídící vodiče neměly probíhat déle než cca. 30 cm a jejich vzájemné křížení by mělo být pod úhlem 90°.


Je nutno důsledně dodržovat galvanické oddělení silových a řídících obvodů, v případě rozsáhlejších systémů se galvanicky oddělují i jednotlivé řídící subcelky. Pro galvanické oddělení řídících signálů a signálů v měřících soustavách se dodává řada oddělovačů pracujících na optickém a magnetickém principu či na principu Hallovy sondy. Galvanické oddělení se doporučuje uplatňovat i mezi kostrou čidel a dalších konstrukčních částí pohonu. Pro zvýšení odolnosti proti zarušení je např. vhodné galvanicky oddělovat kostru otáčkového či polohového čidla od kostry motoru nebo zátěžného zařízení 11. Příklady konkrétních problémů a jejich řešení V následujícím odstavci je uvedeno několik konkrétních příkladů problémů, které se vyskytly ve spojení s provozem frekvenčně řízených pohonů. První skupina prezentovaných problémů byla řešena ve zkušebnách a v laboratořích Fakulty strojní ČVUT v Praze, kde jsou frekvenčně řízené pohony často součástí technologického zázemí zkušebních pracovišť. Situace v oblasti elektromagnetické kompatibility těchto pohonů je navíc komplikovaná tím, že frekvenčně řízený pohon je provozován v blízkosti citlivých a přesných měřících a zkušebních aparatur. Druhá skupina prezentovaných problémů je z prostředí reálného nasazení frekvenčně řízených pohonů. 1. příklad – speciální motor s velkou parazitní kapacitou V laboratoři vodních strojů ČVUT v Praze bylo zprovozněno zkušební pracoviště se speciálně řešeným čerpadlem s integrovaným asynchronním motorem nakrátko. Motor je nedílnou součástí čerpadla, je protékán čerpanou vodou a je tudíž speciálně zapouzdřen. Motor je napájen z frekvenčního měniče. Při provozu docházelo velice často k poruchovým výpadkům měniče bezprostředně po zapnutí pohonu. Měnič při chybě hlásil zemní spojení. Speciálním přístrojem byly proměřeny izolační odpory motoru i měniče a nebyla shledána žádná závada. Při vyřazení kontroly zemního spojení v měniči pohon pracoval bez jakýchkoli problémů. Příčinou poruchových hlášení byl vliv parazitní kapacity pohonu proti zemi. Zvýšená parazitní kapacita je v tomto případě dána evidentně speciální konstrukcí elektromotoru, neboť kabel od měniče k motoru má délku cca. 3m. Při zapnutí pohonu se tato kapacita nabíjela proudem, který byl měničem vyhodnocen jako proud zemního spojení. Řešením je zařazení tlumivek na výstupu měniče, které omezí špičku nabíjecího proudu parazitních kapacit. 2. příklad – různá odolnost proti zarušení u podobných zařízení V laboratoři částí strojů ČVUT v Praze je speciální stanoviště pro proměřování převodovek. Vstupní moment převodovky je vyvozován frekvenčně řízeným asynchronním motorem s otáčkovou regulační smyčkou. Na výstupu je soustava zatěžována asynchronním frekvenčně řízeným asynchronním strojem s momentovou regulací, který pracuje v generátorickém režimu. Přesné hodnoty vstupního a výstupního momentu převodovky jsou snímány tenzometrickými hřídeli. Výstupní signály tenzometrických hřídelů jsou zpracovávány v PC s měřící laboratorní kartou. Tyto signály jsou vedeny do PC stíněnými kabely. U signálu jednoho ze snímačů se projevovalo velké VF zarušení, které se neprojevovalo kontinuálně, ale v krátkých časových intervalech. Frekvence výskytu těchto intervalů byla cca. jednotky Hz. Z takovéhoto charakteru rušení není ani zřejmé, že by původcem mohla být šířkově pulzní modulace měniče. Tím spíše, že zarušen byl signál jen jednoho čidla. Nicméně po řadě zkoušek bylo zjištěno, že rušení způsobuje skutečně měnič zatěžovacího stroje, kde nebyl mezi motorem a měničem použit stíněný silový kabel. Při použití stíněného kabelu se rušení výrazně snížilo, avšak stále ne na únosnou úroveň. Rušení bylo sníženo na únosnou úroveň až po novém řešení vedení silových a signálových vodičů, kdy byly výrazně zvětšeny vzdálenosti mezi signálovým a silovým vedením. Tento příklad poukazuje na velkou důležitost a účinnost dodržování zásad uvedených v odstavci 10. Navíc je třeba poukázat na velmi


rozdílnou odolnost proti zarušení i u velmi podobných zařízení. V tomto případě nebyly se zarušením signálu jednoho tenzometrického snímače od začátku nejmenší problémy, zatímco u druhého snímače se i při dodržení všech prezentovaných zásad nepodařilo zarušení signálu odstranit zcela. 3. příklad – rušení nesouvisejících zařízení V laboratořích spalovacích motorů ČVUT v Praze je instalován frekvenčně řízený pohon 22kW s asynchronním motorem. Jedná se o pohon vývěvy pro vytváření podtlaku při výzkumu proudění. Motor i měnič jsou umístěny v suterénu a jsou spojeny stíněným kabelem s délkou cca. 10m. V podlaží nad touto technologií vývěvy je umístěna laboratoř spalovacích motorů, s jejímž provozem zmíněný pohon nesouvisí. V této laboratoři je umístěna technika pro proměřování spalovacích motorů, např. čidla otáček, momentu, teploty atd. Při provozu pohonu vývěvy byly signály z čidel v nesouvisející laboratoři spalovacích motorů znehodnoceny rušením měniče. K výraznému zlepšení došlo po snížení spínací frekvence šířkově pulzní modulace měniče z 10kHz na 2 kHz. K další eliminaci rušivých vlivů došlo po provedení důsledného stínění signálových vodičů v měřící soustavě v laboratoři spalovacích motorů. Z tohoto příkladu je zřejmé, že je vhodné dodržovat výše uvedené zásady řešení instalace i u zařízení, která jsou provozována v blízkosti frekvenčně řízeného pohonu i když jejich funkce s tímto pohonem nijak nesouvisí. Dále je patrno, že při odstraňování rušivých účinků se vyplatí vyzkoušet nejdříve ty nejjednodušší způsoby. Např. ve výše uvedeném příkladě se situace značně zlepšila pouze přenastavením jednoho parametru měniče. Účinnost daného opatření nelze však zpravidla přesně odhadnout. V mnoha případech se např. změna spínací frekvence měniče vůbec na rušivých účincích neprojevila. 4. příklad – význam galvanického oddělení V laboratoři automobilů ČVUT v Praze je instalováno stanoviště pro zkoušení automobilních převodovek poháněné frekvenčně řízeným asynchronním motorem 22kW. Motor je připojen k měniči cca. 5m dlouhým stíněným kabelem. Signály z čidel na stanovišti jsou vedeny do cca. 8m vzdáleného velína, kde jsou zavedeny do PC s měřící laboratorní kartou. Jedním ze signálů zaváděných do PC je výstup pulzního čidla otáček. Tento signál je veden stíněným kabelem. Při provozu měniče byl signál čidla otáček silně zarušen a čítač na měčící kartě v PC registroval enormní hodnoty otáček. Po řadě zkoušek a vyzkoušení řady opatření bylo zarušení odstraněno optickým oddělením signálu z čidla otáček před vstupem do měřící karty. Tento příklad poukazuje na velký význam galvanického oddělení v signálových vodičích. 5. příklad – hledat i nestandardní řešení Při rekonstrukci technologie řízení říčního jezu byl dosazen frekvenčně řízený pohon s asynchronním motorem 3kW. Vzhledem k tomu, že vzdálenost mezi měničem a motorem je cca. 150 m, byl použit na výstupu měniče sinusový filtr a kabel mezi filtrem a motorem je nestíněný. Při spouštění pohonu docházelo k poruchovým výpadkům měniče. Měnič hlásil poruchu nadproud. Při zkouškách v laboratoři bez filtru pracoval pohon bez problému. Příčinou výpadků měniče byly nabíjecí proudy kondenzátorů filtru. Dimenzování filtru přitom korespondovalo s dimenzováním měniče. Po kontaktování výrobce měniče tento uvedl, že konstrukce měniče s použitím sinusového filtru nepočítá. Situace byla nakonec vyřešena dosazením jiného sinusového filtru s menší kapacitou kondenzátorů a větší indukčností tlumivek. Po této úpravě pohon pracoval bez problémů. Avšak projevovalo se rušení kamerového systému, který byl v sousedství pohonu instalován. Zarušení kamerového systému bylo odstraněno dosazením výstupních tlumivek k sinusovému filtru. Z tohoto příkladu plyne, že při odstraňování problémů s nežádoucími účinky frekvenčních měničů je nutno někdy volit i dosti nespecifická řešení. I když je sinusový filtr považován za velmi účinný odrušovací prostředek, může se stát, že jsou jeho účinky nedostatečné a v tomto případě byla účinná až kombinace dvou výstupních odrušovacích prostředků.


6. příklad - problémy s proudovým chráničem Je jistě pozitivní, že lze v současnosti zaznamenat rozšiřování využití proudových chráničů. Ve spojení s frekvenčními měniči je však použití proudových chráničů velice často problematické. Příkladem z mé praxe může být případ frekvenčně řízeného pohonu lyžařského vleku s asynchronním motorem 30kW. V původním projektu se počítalo s proudovým chráničem. Při oživování pohonu však neustále docházelo k výpadkům proudového chrániče při zapínání pohonu. Byla vyzkoušena řada opatření k odstranění tohoto stavu, ale nakonec muselo být od použití proudového chrániče upuštěno. 7. příklad – měnič v izolované soustavě s dlouhým přívodním vedením k motoru Na II. železničním koridoru bylo koncem devadesátých let firmou AŽD s.r.o. nasazováno zabezpečovací zařízení nové generace. Součástí tohoto zabezpečovacího zařízení jsou pohony přestavníků výhybek, které jsou spínány bezkontaktně se zvýšenou mírou zabezpečení proti nežádoucímu spuštění. Tyto pohony byly vyvíjeny ve spolupráci s ČVUT – Fakultou strojní a jsou nasazeny ve třech železničních stanicích. Vzhledem k tomu, že jde o velmi specifickou aplikaci, bylo během oživování i během provozu získáno velké množství zkušeností i v oblasti elektromagnetické kompatibility. Pohon přestavníku výhybky je realizován trojfázovým asynchronním motorem nakrátko 380V, 550W s odporovou klecí. Vzhledem k požadavku bezpečného bezkontaktního spínání byl ve funkci spínače a členu pro reverzaci použit běžný frekvenční měnič, kde byly provedeny ještě některé úpravy pro zajištění potřebného stupně bezpečnosti provozu. Měnič je provozován ve specifických podmínkách: napájecí soustava je izolovaná a délka vedení mezi měničem a motorem je závislá na umístění výhybky v železniční stanici a může dosahovat až 1,2 km. Kabel mezi měničem a motorem je nestíněný. Elektromagnetická kompatibilita zařízení na straně sítě je zabezpečena síťovým filtrem a tlumivkami. Podstatně náročnější je zabezpečení elektromagnetické kompatibility na výstupu měniče. Jedinou cestou bylo použití sinusových filtrů. Odrušení na výstupní straně měniče bylo měřeno a vyhodnoceno podle platných norem nezávislou firmou. Selektivním milivoltmetrem byla zjišťována velikost rušivého signálu v signálových vodičích vedených paralelně s vodiči pro napájení motoru a velikost rušivého signálu ve vzdálenosti 10m od silového vedení. Délka vedení od měniče k motoru byla 1km. Úroveň rušivých signálů nepřesáhla hodnoty stanovené normami, u mnohých frekvencí byla úroveň rušivých signálů neměřitelná.

Obr. 7 Struktura obvodu pohonu přestavníku


I/A/

Použití sinusového filtru je v dané aplikaci nezbytné, avšak ani jeho použití nezabránilo výskytu některých rušivých jevů spojených s použitím frekvenčního měniče. Největším problémem byly parazitní kapacitní vazby měniče, kabelu a motoru, které se uplatňují i při použití sinusového filtru - obr.7. Přes parazitní kapacity motoru se přenesl určitý potenciál na skříň přestavníku v kolejišti. Na plášti přestavníku se potom vyskytovalo nebezpečné napětí proti zemi, jehož velikost byla závislá na kvalitě odizolování skříně přestavníku od země. V nejnepříznivějších případech dosahovalo toto napětí hodnot až přes 100V. Tento problém se nakonec podařilo vyřešit pospojováním uzlů kondenzátorů v sinusových filtrech a následným uzemněním takto pospojovaných uzlů. Toto propojení však aktivovalo činnost ochrany izolačního stavu, neboť proud této ochrany se uzavíral přes vybíjecí odpory kondenzátorů sinusového filtru do země. Tento problém byl vyřešen odpojením středu vybíjecích odporů od středu kondenzátorů sinusového filtru. Po těchto úpravách byla provozována většina přestavníků bez problémů, pouze na několika pohonech se ojediněle a zcela náhodně vyskytovalo poruchové odstavení měniče při zahájení přestavování. Měnič v tomto případě hlásil chybu přetížení proudem při rozběhu. Ryze teoretické řešení problému bylo v tomto případě téměř nemožné, neboť celá soustava je z hlediska kmitočtů šířkově pulzní modulace velice složitá. Tato složitost je dána zejména přítomností řady parazitních kapacit v soustavě, pravděpodobnými vlnovými jevy na přívodním kabelu k motoru a velkými strmostmi napětí na výstupu frekvenčního měniče. Na pohonu přestavníku ve stanici byla provedena série měření, při nichž byla zjištěna poměrně velká hodnota proudu, který se uzavírá uzemněným středem kondenzátorů sinusového filtru – obr.8. O tento proud je zvýšen výstupní proud měniče a při rozběhu se pak zvyšuje pravděpodobnost překročení proudu, na který reaguje nadproudová výstupní ochrana měniče. Situaci podstatně zlepšilo zpomalení rozběhové rampy měniče a snížení počátečního napětí při rozběhu, i když tato opatření měla za následek snížení proudu motoru a částečné prodloužení doby přestavování. Občas se však výpadky pohonu přesto opakovaly a proto byl na měniči nastaven požadavek automatického opakování pokusu o rozběh po poruchovém výpadku. 2,5 2 1,5 1 0,5 0 -0,5 0 -1 -1,5 -2

1

2

3

4

5

t/s/

Obr.8 Průběh proudu v uzemnění uzlu kapacit sinusového filtru během přestavování výhybky Problém nebezpečného dotykového napětí byl shledán i na straně měniče v rozvaděčové skříni. Neživé části rozvaděčové skříně jsou připojeny na ochranný vodič napájecí sítě. Neživé části měničů – zejména chladiče – byly však od těchto částí rozvaděče izolovány a rovněž na nich bylo naměřeno nebezpečné napětí. Proto byly tyto části měničů rovněž spojeny s ochranným vodičem. Poté se však začalo projevovat velké zarušení spouštěcích signálů měničů přicházejících na jejich logické vstupy – měniče nebylo možno těmito signály vypnout. U použitého měniče je vztažná potenciálová zem elektronické řídící karty spojena přes kondenzátor s neživou částí měniče. Toto spojení má při napájení z běžné sítě zabezpečit ochranu řídící karty proti rušení. V případě izolované napájecí soustavy však byl


účinek tohoto spojení opačný. Eliminace rušení vstupních signálů bylo dosaženo až po přerušení tohoto spojení, tj. po vyjmutí propojovacích kondenzátorů v měničích. V současnosti je všech cca. 100 instalovaných pohonů provozováno bez problému, nicméně obava z množství problémů spojených s elektromagnetickou kompatibilitou tohoto řešení vedla firmu AŽD s.r.o. k vývoji bezpečného bezkontaktního spínače pro pohony přestavníků na zcela jiném principu bez šířkově pulzní modulace. Z uvedeného příkladu je zřejmé, že nežádoucí účinky frekvenčních měničů se mohou ještě více projevovat v izolované soustavě a ve specifických aplikacích, potom je jejich odstraňování velmi náročné a zdlouhavé, zejména jedná-li se o podmínky reálného provozu. Nebrání-li tomu závažné důvody, je proto vhodné provozovat frekvenčně řízené pohony v co nejstandardnější podobě. 12. Závěr Na základě současných trendů, které je možné v elektrotechnice sledovat, je zřejmé, že problematika elektromagnetické kompatibility bude nabývat dále na aktuálnosti. Kromě výše uvedených standardních zásad pro instalaci a provoz frekvenčně řízených pohonů se budou zřejmě uplatňovat další postupy poplatné konkrétním aplikacím. Zároveň lze očekávat další zvyšování zájmu o tuto problematiku v oblasti norem.


Frekvenčně řízené elektrické pohony a jejich elektromagnetická kompatibilita

Recommend Documents