Rozpływ zaburzeń przewodzonych przy pracy równoległej
advertisement
Adam KEMPSKI, Sebastian STANNY Uniwersytet Zielonogórski, Instytut Inżynierii Elektrycznej Rozpływ zaburzeń przewodzonych przy pracy równoległej przekształtnikowych układów napędowych Streszczenie. W przedstawionym artykule analizowano rozpływ zaburzeń przewodzonych w warunkach pracy równoległej napędów przekształtnikowych. Opracowano symulacyjny model wysokoczęstotliwościowy układu napędowego, sterowanego przy wykorzystaniu modulacji PWM z twardą komutacją łączników. Przedstawione poniżej wyniki symulacyjne pozwoliły na określenie dróg rozpływu zaburzeń wspólnych (common mode CM) w systemie. Abstract: In this paper the flow of conducted emission in a parallel connected inverter drives has been analyzed. The high frequency model of the system with hard switching Pulse Width Modulation has been developed. It has been presented the results of simulations that allow to establish real paths of common mode interferences in a system. (A spreading of conducted interferences in parallel connected inverter-fed drives.) Słowa kluczowe: zburzenia elektromagnetyczne, kompatybilność elektromagnetyczna, zaburzenia wspólne, układ napędowy. Keywords: EMC/EMI, Common mode (CM), speed drives. Wstęp Coraz powszechniejsze zastosowanie przekształtników energoelektronicznych w układach napędowych o regulowanej prędkości spowodowało pojawienie się w tych układach nowej klasy problemów związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną tych układów. Praca półprzewodnikowych łączników mocy, jest przyczyną pojawienia się prądów zaburzeń przewodzonych o wysokich częstotliwościach. Zaburzenia te mogą wpływać niekorzystnie na działanie samego urządzenia lub innych urządzeń w jego środowisku pracy. Mamy tu zatem do czynienia zarówno z problemami kompatybilności wewnętrznej jak i zewnętrznej systemu. Bezpośrednią przyczyną przepływu prądów zaburzeń w przekształtnikowych systemach napędowych są zjawiska elektromagnetyczne, towarzyszące przełączeniom półprzewodnikowych przyrządów mocy (najczęściej tranzystorów IGBT) w przemiennikach częstotliwości. Szybkość narostu napięcia du/dt w stosowanych obecnie tranzystorach mocy jest rzędu kilku kilowoltów na mikrosekundę. Tak szybkie zmiany napięcia wyjściowego na łącznikach są w stanie pobudzić prądy zaburzeń na skutek pasożytniczych sprzężeń pojemnościowych w układzie obciążenia (silnik i kabel silnikowy). Znanymi skutkami występowania prądów zaburzeń w przekształtnikowych układach napędowych, oprócz możliwości ich bezpośredniego, zakłócającego oddziaływania na układy sterowania są: narażenia przepięciowe układów izolacyjnych silnika, występowanie napięcia na wale silnika i związanych z nim wyładowczych prądów w łożyskach silnika, oraz możliwość błędnego działania zabezpieczeń upływnościowych [1]. Wstępnym warunkiem właściwego doboru sposobu eliminacji tych niekorzystnych zjawisk jest analiza mechanizmu generacji i rozprzestrzeniania się prądów zaburzeń w systemie. Dotychczasowe analizy, prezentowane w literaturze, a dotyczące rozpływu zaburzeń przewodzonych ograniczały się do pojedynczych układów napędowych oraz prób ograniczania bądź eliminowania zaburzeń w tych układach. Nie znaleziono danych literaturowych dotyczących dróg rozpływu zaburzeń wspólnych w układach napędowych w warunkach pracy równoległej. Zaburzenia wspólne w przekształtnikowych układach napędowych Realizacja algorytmów sterowania z wykorzystaniem dwupoziomowych trójgałęziowych falowników napięcia powoduje chwilową niesymetrię elektryczną układu. Wynikiem tej niesymetrii jest powstanie napięcia w punkcie neutralnym układu (napięcie zaburzeń wspólnych un). u n (t ) = (1) u A (t ) + u B (t ) + u C (t ) . 3 Mechanizm powstawania napięcia zaburzeń wspólnych ilustruje rys.1, gdzie przedstawiono symulowane przebiegi napięć fazowych i wynikający z nich przebieg napięcia zaburzeń wspólnych. Ma ono w przybliżeniu kształt funkcji schodkowej, o skoku równym 1/3Ud i amplitudzie 1/2Ud (Ud - napięcie w obwodzie pośredniczącym DC). Szybkie zmiany w przebiegu napięcia zaburzeń wspólnych są przyczyną powstawania prądów zaburzeń wspólnych wskutek sprzężeń pojemnościowych. Rozliczne analizy i badania eksperymentalne wskazują, że prądy zaburzeń wspólnych stanowią główny problem przy zapewnianiu kompatybilności elektromagnetycznej przekształtnikowych układów napędowych. 400V Ua 0V -400V 400V Ub 0V -400V Uc 400V 0V -400V Un_s 400V 0V -400V 1.0ms 1.2ms 1.4ms 1.6ms 1.8ms 2.0ms 2.2ms 2.4ms 2.6ms 2.8ms 3.0ms Czas Rys.1. Generacja napięcia zaburzeń wspólnych na wyjściu falownika Model symulacyjny badanego układu napędowego podczas pracy równoległej Wspólna impedancja uziemienia ochronnego systemu stwarza możliwość przenoszenia się zaburzeń Cs reprezentuje pojemność doziemną uzwojeń silnika. Ta pasożytnicza pojemność tworzy drogę przepływu prądu zakłóceń wspólnych od uzwojenia silnika poprzez uziemienie do źródła. W analizowanym układzie przyjęto wartość pojemności Cs równą 5nF. Wejściową, doziemną pojemność pasożytniczą silnika reprezentują trzy kondensatory Cp, o pojemnościach równych 1 nF. Dla szybkich narostów du/dt, kable zasilające silniki indukcyjne z falowników zachowują się jak linie długie. W zastosowanym, uproszczonym modelu linii zrezygnowano z falowej reprezentacji tych elementów systemu, modelując je przy pomocy parametrów skupionych R,L,C. Podobnie, przewody PE w układzie modelowane są za pomocą parametrów skupionych R,L. Analiza rozpływu zaburzeń asymetrycznych (wspólnych) w przekształtnikowych układach napędowych [2] pokazała, że bardzo istotnym elementem, kształtującym ten rozpływ jest pojemność pomiędzy uziemionym radiatorem a szynami obwodu pośredniczącego prądu stałego. Pojemność ta stwarza powrotną drogę dla przepływu prądów zaburzeń generowanych po stronie silnikowej, do źródła tych zaburzeń, tzn. łączników falownika. generowanych w jednym układzie do układu pracującego równolegle. W celu określenia wpływu tego rodzaju sprzężenia na rozprzestrzenianie się zaburzeń w pracujących równolegle napędach przekształtnikowych opracowano uproszczony model wysokoczęstotliwościowy układu przedstawiony na rysunku 2. Symulacje wykonywano posługując się programem symulacyjnym Simulink. Założono, że układ zasilany jest z trójfazowej sieci elektroenergetycznej o napięciu 230 V. Napięcie sieciowe przekształcane jest na napięcie stałe przez tradycyjny sześciopulsowy prostownik diodowy. Z jednego obwodu pośredniczącego prądu stałego zasilane są dwa układy falownik - silnik. Do sterowania układów falownikowych (z idealnymi łącznikami) zastosowano delta modulację PWM z impulsem synchronizującym. W celu rozsynchronizowania momentów przełączania obydwu falowników zróżnicowano częstotliwości modulacji (15 kHz i 12 kHz) oraz głębokość modulacji (odpowiednio 0,8 i 0,7). Obydwa sygnały sterujące poszczególnymi falownikami miały czas narostu równy 0,1µs. Impedancja kabla zasilaj¹cego silnik a + A Silnik klatkowy A K B - B pulses C A b C c Tm C SS B A m_pu Cp1 Prostownik 6 pul Falownik Cp Ck Cp2 Cs ICK Pulses Signal(s) PWM Generator IPE1 Xpn Silnik klatkowy1 ISS + A - B pulses C Falownik1 Pulses Signal(s) PWM Generator1 a B b C c Tm Cp4 Cp3 A m_pu Cp5 Cs1 Xpn1 IPE2 Rys.2. Uproszczony schemat badanego układu W celu zapewnienia odpowiedniej impedancji pomiędzy zaciskami badanego urządzenia i ziemią odniesienia oraz dla odseparowania badanego obwodu od niepożądanych sygnałów wielkiej częstotliwości występujących w sieci zasilającej zastosowano uproszczony model Sieci Sztucznej (SS), reprezentujący jej impedancje. Parametry sztucznej sieci typu V przyjęto zgodnie z normą CISPR 16-1 (50Ω i 50µH). W obydwu układach pracujących równolegle zastosowano identyczne modele silnika klatkowego. Model ten jest w znacznym stopniu uproszczony, ale pozwala na symulację podstawowych procesów elektromagnetycznych, wchodzących w zakres zagadnień dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej układu. Kondensator W zaproponowanym modelu układu, tę drogę przepływu prądu zaburzeń wspólnych zapewnia pojemność o wartości 30nF, dołączona do obwodu pośredniczącego. Analiza rozpływu zaburzeń na podstawie symulacji Na rysunku 3 przedstawiono prądy zaburzeń wspólnych (IPE1 i IPE2) w przewodach PE, w punktach oznaczonych na rysunku 2. W przebiegach tych prądów występują impulsy o dwóch, wyraźnie różniących się amplitudach. Sugeruje to, że prądy o mniejszej amplitudzie mogą być wynikiem przełączeń łączników falownika pracującego równolegle. 15 Rys.5 6 IPE1 a) 0 4 -15 25 25.4 25.2 25.6 25.8 26 2 0 15 -2 Rys.6 -4 b) 0 -15 25 IPE1 25.2 25.6 25.4 25.8 26 Rys.3. Prądy zaburzeń wspólnych mierzone w przewodzie PE pierwszego i drugiego układu napędowego Prądy zaburzeń pochodzące od poszczególnych układów sumują się w węźle i dalej płyną dwiema drogami do swojego źródła w falowniku. Wyniki symulacji przedstawiono na rys. 4. 10 Rys.5. Prąd zaburzeń wspólnych w przewodzie PE pierwszego układu, przy przełączeniu w tym układzie. 6 4 IPE2 2 0 ICK a) 0 -2 -10 25 -4 25.4 25.2 25.6 25.8 26 2 Rys.6. Prąd zaburzeń wspólnych w przewodzie PE drugiego układu przy przełączeniu w układzie pierwszym Rys.7 ISS b) 0 6 -2 25 25.2 25.4 25.6 25.8 26 Rys.4. Prąd zaburzeń płynący przez pojemność CK oraz prąd płynący przez sieć zasilającą. Jedna droga prowadzi przez sieć zasilającą i układ prostownika sześciopulsowego, natomiast druga, poprzez pojemność pomiędzy obwodem pośredniczącym prądu stałego a uziemionym radiatorem. O podziale prądu zaburzeń na te dwie drogi decyduje stosunek ich impedancji w.cz. Jak można zauważyć na rys. 4, stosunkowo niewielka wartość pojemności Ck powoduje, że większa część całkowitego prądu zaburzeń przepływa przez obwód pośredniczący prądu stałego, a jedynie niewielka część przedostaje się do sieci zasilającej. Wzajemne relacje między prądami zaburzeń w różnych częściach systemu można łatwiej prześledzić na przebiegach przedstawionych na rysunkach 5,6 i 7, w mniejszym przedziale czasu. 4 ISS 2 0 -2 -4 Rys.7. Prąd zaburzeń wspólnych płynące przez sieć zasilającą. Przepływ prądów zaburzeń powoduje niewielkie zakłócenia w przebiegach napięć fazowych, co dotyczy zarówno faz falownika, w których nastąpiło przełączenie, jak i w napięciach fazowych falownika pracującego równolegle. Poszczególne napięcia fazowe na wyjściu obu falowników w stosunku do ziemi wraz z prądami zaburzeń w przewodzie PE, przedstawiono na rys.8 i 9. 10 zależy od parametrów pasożytniczych obwodów oscylacyjnych, w których się tworzą. Przy przyjętych parametrach modelu, czas trwania impulsów jest dużo mniejszy od odstępów czasowych pomiędzy przełączeniami falowników. Przy rozsynchronizowaniu momentów przełączeń w obydwu falownikach, nakładanie się impulsów pochodzących od przełączeń w różnych falownikach zdarza się dość rzadko. W wyniku takiego nałożenia prądy zaburzeń dodają się, co skutkuje niemal dwukrotnym zwiększeniem amplitudy prądu ICK, przepływającego przez pojemność Ck do obwodu pośredniczącego (rys. 11). Rys.11 IPE1 a) 0 -10 500 U b) 0 Rys.10 -500 500 V c) 0 -500 500 15 W d) 0 ICK 10 -500 35 35.2 35.4 35.6 35.8 36 Rys.8. Prąd zaburzeń wspólnych w przewodzie PE oraz napięcia fazowe pierwszego układu. 5 0 -5 10 IPE2 a) 0 Rys.11. Przebieg prądu zaburzeń wspólnych przy jednoczesnym załączeniu łączników w dwóch falownikach. -10 500 Efekty nakładania się na siebie prądów zaburzeń, wytwarzanych w obydwu układach mogą być silniejsze, gdy mniejsze będą częstotliwości i stałe tłumienia obwodów rezonansowych, przez które przepływają zaburzenia (dłuższe kable, większe silniki). W takiej sytuacji, zmianie jakościowej może ulec wypadkowy kształt widma zaburzeń mierzony, zgodnie z normami, odbiornikiem pomiarowym z detektorami wartości szczytowej, quasi - szczytowej i średniej. U b) 0 -500 500 V c) 0 -500 500 W d) 0 -500 35 35.2 35.4 35.6 35.8 36 Rys.9. Prąd zaburzeń wspólnych w przewodzie PE oraz napięcia fazowe drugiego układu Kształt zaburzeń w napięciu fazowym pokazano na rys. 10. 280 U 260 240 220 Podsumowanie Zaburzenia wspólne wytwarzane w pracujących równolegle układach napędowych mogą przenosić się pomiędzy tymi układami w wyniku sprzężenia poprzez wspólną impedancję przewodu ochronnego (PE). Rozpływ prądów zaburzeń uwarunkowany jest istnieniem alternatywnych dróg powrotnych do ich źródeł w poszczególnych przekształtnikach. Wypadkowy kształt widma zaburzeń, będący wynikiem nakładania się na siebie prądów zaburzeń wytwarzanych w poszczególnych falownikach, może w istotny sposób zależeć od parametrów obwodów rezonansowych, przez które zaburzenia te przepływają. W badaniach eksperymentalnych szczególnego znaczenia nabierają, zatem badania z miejscu zainstalowania (in situ) pracujących równolegle układów napędowych. LITERATURA 200 Rys.10. Przebieg napięcia fazowego na wyjściu falownika przy przełączaniu łączników Z analizy przebiegu pokazanego na rys. 10 wynika, że pierwszy z impulsów jest wynikiem przełączenia w innej fazie tego samego układu napędowego, a drugi powstaje na skutek przełączenia w drugim układzie. Amplituda zaburzeń w przebiegach napięciowych jest niewielka, a widoczne są dwie częstotliwości. Jedna - wyższa, związana jest z prądem zaburzeń generowanych po stronie silnikowej przekształtnika, a druga - niższa częstotliwość, formowana jest na skutek przepływu prądu zaburzeń w obwodzie zawierającym dużą indukcyjność sieci [3]. Impulsy prądów zaburzeń mają kształt dość silnie tłumionej sinusoidy (rys.5). Ich częstotliwość i czas trwania [1] S k i b i n s k i G . , K e r k m a n R . J . , S c h l e g e l D., EMI Emission of Modern PWM AC Drives, IEEE Industry Applications Magazine,November/December 1999, 47-79. [2] L i R . , G o k a n i S . , C l a r e J . , B r a d l e y K . J . , C h r i s t o p o u l o s C . , Conducted Electromagnetic Emission in Induction Motor Drive System Part I, Time Domain Analysis and Identification of Dominant Modes, IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 13, No.July 1998 768-776 [3] K e m p s k i A . , S m o l e ń s k i R . , S t r z e l e c k i R ., Common Mode Current Paths and Their Modeling in PWM Inverter Fed rd Drives, IEEE 33 PESC2002, Cairns,Australia 1551--1556 [4] K e m p s k i A . , S t r z e l e c k i R . , S m o l e n s k i R . , F e d y c z a k Z . , Bearing current path and pulse rate in PWMinverter-fed induction motor, IEEE 32nd PESC’01 2001 Vol. 4, 2025-2030 Autorzy: Adam Kempski, E-mail: [email protected]; Sebastian Stanny, E-mail: [email protected]; Uniwersytet Zielonogórski, Instytut Inżynierii Elektrycznej, ul. Podgórna 50, 65-246 Zielona Góra,
