Kompatybilność elektromagnetyczna podczas używania przetwornic częstotliwości

Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) Jest to zdolność sprzętu elektrycznego lub elektronicznego do normalnego funkcjonowania w obecności pól elektromagnetycznych. Jednocześnie sprzęt nie może zakłócać działania innych urządzeń lub systemów znajdujących się w pobliżu.

Dyrektywa EMC Międzynarodowej Komisji Energetycznej (IEC) określa wymagania dotyczące odporności i emisji dla sprzętu elektrycznego używanego w Europejskim Obszarze Gospodarczym. Norma EMC EN 61800-3 obejmuje wymagania dotyczące przetwornic częstotliwości.

Przetwornica częstotliwości pobiera prąd ze źródła tylko w okresach, w których wartość chwilowa sinusoidy źródła zasilania jest wyższa niż napięcie obwodu pośredniego, tj. w obszarze szczytowego napięcia źródła. W rezultacie prąd nie płynie w sposób ciągły, ale przerywany, z bardzo wysokimi wartościami szczytowymi.

Ten typ przebiegu prądu zawiera, obok podstawowych składowych częstotliwości, mniej lub bardziej wysoki udział składowych harmonicznych (harmonicznych zasilania).

W trójfazowych przetwornicach częstotliwości składają się one głównie z 5., 7., 11. i 13. harmonicznej. Prądy te powodują zniekształcenie przebiegu napięcia zasilającego, co wpływa na innych odbiorców energii elektrycznej w tej samej sieci.

Również prądy przemienne powodują fluktuacje w obwody korekcji współczynnika mocy w pewnych krytycznych warunkach, które mogą prowadzić do przepięcia.

Warunki są krytyczne, gdy:

• co najmniej 10 — 20% mocy instalacji stanowi falownik i niesterowany prostownik przetwornicy częstotliwości;

• obwód kompensacyjny działa bez przerwy;

• najniższy stopień kompensacji tworzy obwód rezonansowy wraz z transformatorem zasilającym i częstotliwość rezonansową bliską 5 lub 7 harmonicznych o częstotliwości 50 Hz, tj. około 250 lub 350 Hz.

W wyniku bardzo szybkiego przełączania tranzystorów inwertera o godz Modulacja szerokości impulsów obserwuje się efekty akustyczne, które mają negatywny wpływ na sieć energetyczną i silnik elektryczny.

Szybkie przełączanie przełączników tranzystorowych falownika skutkuje szerokopasmowym sygnałem zakłócającym, który wpływa na środowisko poprzez kable silnika. Ciągłe zmiany indukcyjności spowodowane interwałami napięcia sterującego PWM i DTC powodują niewielkie zmiany długości arkuszy rdzenia silnika (magnetostrykcja), co skutkuje charakterystycznym modulowanym szumem w stosie rdzeni stojana silnika.

Napięcie wyjściowe przetwornicy częstotliwości ma wysoką częstotliwość prostokątny ciąg impulsów o różnej polaryzacji i czasie trwania z tą samą amplitudą.Stromość czoła impulsu napięciowego jest określona przez szybkość przełączania wyłączników mocy falownika i jest różna w przypadku stosowania różnych urządzeń półprzewodnikowych (np. Tranzystory IGBT czyli 0,05 — 0,1 μs).

Przejście sygnału impulsowego o stromym czole powoduje procesy falowe w kablu i prowadzi do przepięć na zaciskach silnika.

Długość kabla silnika zależy od długości rozchodzącej się w nim fali o wysokiej częstotliwości (czoła impulsu).Krytyczna jest długość kabla równa połowie długości fali, przy której impulsy napięcia są przykładane do uzwojeń silnika indukcyjnego, które są wielkością zbliżoną do dwukrotności napięcia obwodu pośredniego DC.

W napędach elektrycznych dla klasy napięciowej 0,4 kV przepięcie może dochodzić do 1000 V. Problem ten nazywany jest problemami z długimi kablami.

Schemat blokowy przetwornicy częstotliwości z filtrami wejściowymi i wyjściowymi

Aby spełnić wymagania norm EMC, w przemiennikach częstotliwości stosuje się dławiki sieciowe i filtry EMC.

Filtry EMC redukują szumy akustyczne emitowane przez przetwornik iw przypadku większości typów przetworników są fabrycznie wbudowane w obudowę sondy. Dławiki sieciowe zostały zaprojektowane w celu zmniejszenia wysokich prądów rozruchowych, a tym samym harmonicznych prądu sieciowego oraz w celu poprawy ochrony przed przepięciami regulowanej przetwornicy częstotliwości.

Rozwiązaniem problemu „długiego kabla” jest konieczność zastosowania rozwiązań technicznych ograniczających przepięcia i prądy rozruchowe na zaciskach silnika elektrycznego. Należą do nich montaż dławików wyjściowych, filtrów, filtrów sinusoidalnych.

Schemat podłączenia przetwornicy częstotliwości

Dławiki wyjściowe służą przede wszystkim do ograniczenia skoków prądowych, które występują w długich kablach silnikowych na skutek przeładowania gniazd kablowych i nieznacznie zmniejszają wzrost napięcia na zaciskach silnika, ale nie zmniejszają skoków napięcia na zaciskach silnika.

Dławik liniowy

Filtry chronią izolację silnika ograniczając wzrost napięcia i redukując skoki napięcia na zaciskach silnika do wartości niekrytycznych, natomiast filtry ograniczają skoki prądu, które występują podczas okresowego ładowania kontenerów kablowych.

Filtry EMC

Filtry sinusoidalne zapewniają napięcie zbliżone do sinusoidalnego na wyjściu przetwornicy.

Ponadto filtry sinusoidalne zmniejszają szybkość narastania napięcia na zaciskach silnika do określonej wartości, usuwają skoki napięcia, redukują dodatkowe straty w silniku oraz redukują hałas silnika.

W przypadku długich kabli silnikowych filtry sinusoidalne zmniejszają skoki prądu generowane przez okresowe ładowanie kontenerów kablowych.

Poza powyższymi sposobami ograniczania przepięć na zaciskach silnika elektrycznego należy zwrócić uwagę na dwa skuteczne sposoby rozwiązania problemu długiego kabla, które nie wymagają dużych inwestycji i mogą być realizowane bezpośrednio przez użytkownika:

1. Montaż serii LC — filtr na wyjściu przetwornicy częstotliwości w celu zmniejszenia stromości zbocza natarcia impulsów napięcia wyjściowego przetwornicy;

2.Instalowanie równoległego filtra RC bezpośrednio na zaciskach silnika w celu dopasowania do impedancji falowej kabla.

Poza powyższymi sposobami zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej należy zwrócić uwagę na konieczność stosowania przewodów ekranowanych do połączenia przetwornicy częstotliwości z silnikiem elektrycznym. W celu skutecznego tłumienia promieniowanych zakłóceń o wysokiej częstotliwości przewodność ekranu powinna wynosić co najmniej 1/10 przewodności przewodu fazowego.

Jednym z parametrów pozwalających ocenić przewodność ekranu jest jego indukcyjność, która powinna być mała i jak najmniej zależała od częstotliwości. Wymagania te można łatwo spełnić stosując miedziany lub aluminiowy ekran (pancerz).

Ekrany kabla łączącego przetwornicę częstotliwości z silnikiem muszą być uziemione na obu końcach.Im lepszy i ciaśniejszy ekran, tym niższy poziom promieniowania i wielkość prądu w łożyskach silnika.

Ekran kabla silnika do przetwornicy częstotliwości

Ekran składa się z koncentrycznej warstwy drutów miedzianych i zwiniętej taśmy miedzianej.

Zwykle ekran kabla sterującego jest uziemiony bezpośrednio do przetwornicy częstotliwości. Drugi koniec ekranu pozostaje nieuziemiony lub podłączony do uziemienia za pomocą wysokonapięciowego kondensatora wysokiej częstotliwości o pojemności kilku nF.

Do podłączenia sygnałów analogowych zaleca się stosowanie skrętki dwużyłowej z dwoma ekranami. Zastosowanie takiego przewodu zalecane jest również do podłączenia sygnałów z impulsowego czujnika prędkości. Dla każdego sygnału należy zastosować jeden kabel z oddzielnym ekranem.

W przypadku niskonapięciowych sygnałów cyfrowych zaleca się również stosowanie skrętki dwużyłowej z podwójnym ekranem, ale można zastosować kilka skrętek ze wspólnym ekranem.

Podwójnie ekranowana skrętka (a) oraz kabel z kilkoma skrętkami i jednym wspólnym ekranem (b)