Kompatybilność elektromagnetyczna w układach napędowych (pdf
advertisement
safety for electronics system KARTA APLIKACYJNA KOMPATYBILNOŚĆ ELEKTROMAGNETYCZNA W UKŁADACH NAPĘDOWYCH SPIS TRECI: 1 WSTĘP.................................................................................................................................................................3 2 ZJAWISKA NA WEJŚCIU FALOWNIKA.............................................................................................................3 2.1 OGRANICZENIE EMISJI HARMONICZNYCH ZGODNIE Z EN61000-3-2 .........................................................................4 2.2 OGRANICZENIE EMISJI ZABURZEŃ RFI...................................................................................................................5 3 ZJAWISKA NA WYJŚCIU FALOWNIKA.............................................................................................................6 3.1 OPIS ZJAWISK I NAJCZĘSTSZYCH PROBLEMÓW .......................................................................................................6 3.1.1 Duże stromości narastania napięcia wyjściowego du/dt ..........................................................................6 3.1.2 Przepięcia i piki napięciowe na końcu kabla silnikowego ........................................................................7 3.1.3 Dodatkowe straty w silniku ......................................................................................................................7 3.1.4 Ekranowanie przewodów i prądy pasożytnicze do ziemi .........................................................................7 3.1.5 Prądy w łożyskach silnika........................................................................................................................8 3.1.6 Zaburzenia o charakterze akustycznym ..................................................................................................9 3.2 ROZWIĄZANIE PROBLEMU ....................................................................................................................................9 3.2.1 Dławiki wyjściowe du/dt (silnikowe) .........................................................................................................9 3.2.2 Filtry Sinus i SinusPlus ..........................................................................................................................11 4 PODSUMOWANIE .............................................................................................................................................13 2/13 1 Wstęp Coraz większa konieczność stosowania układów napędowych sprawia, że pojawia się coraz więcej pytań dotyczących niezawodności i bezpieczeństwa pracy całego układu napędowego. Nowoczesne przetwornice częstotliwości służące do regulacji położenia lub prędkości obrotowej silników AC są dzisiaj integralną częścią zarówno środowiska przemysłowego jak i domowego. W dokumencie tym opisane będą potencjalne problemy, jakie powstają w układach napędowych z przetwornicą częstotliwości i których nie sposób pominąć oraz przedstawione zostaną sposoby ich rozwiązania. Zagadnienia związane z kompatybilnością elektromagnetyczną są przedmiotem międzynarodowych norm. Jednakże gdy spojrzymy na układ napędowy jako całość nie z perspektywy norm, ale z perspektywy niezawodności i bezpieczeństwa to okaże się, że spełnienie wszystkich norm nie zapewnia nam do końca niezawodności i bezpieczeństwa systemu. Należy wyjść poza wymagania norm by zaprojektować niezawodny układ napędowy. Obecnie na rynku falowników można zaobserwować tendencje, które mogą mieć olbrzymi wpływ zarówno na niezawodność całego układu napędowego jak również na kryteria oceny, które należy zastosować by ją zagwarantować. Są to przede wszystkim: • miniaturyzacja, zarówno na polu falowników jak i silników, często również połączona z redukcją kosztów i gorszą izolacją uzwojeń silnika, • modernizacje z zastosowaniem falowników istniejących układów napędowych ze starymi silnikami i nie ekranowanymi przewodami, • tendencje w kierunku wysoko obrotowych napędów o małej masie (np. wrzeciona), • innowacyjne niskoobrotowe technologie z silnikami o dużej liczbie biegunów (np. maszyny z silnikami momentowymi). Potencjalne problemy, które mogą się przyczynić do obniżenia niezawodności i jakości układu napędowego możemy podzielić ze względu na miejsce występowania na dwie grupy: • zjawiska występujące na linii sieć-falownik (na wejściu falownika), • zjawiska występujące na linii falownik-silnik (na wyjściu falownika) W kolejnych rozdziałach można znaleźć opis powyższych zjawisk oraz metody rozwiązywania problemów. 2 Zjawiska na wejściu falownika Istotą działania każdego urządzenia energoelektronicznego (falownik, przetwornica, zasilacz,…) jest przełączanie stosunkowo dużych mocy za pomocą półprzewodnikowych elementów mocy tzw. kluczy (najczęściej tranzystory polowe z izolowaną bramką IGBT, tranzystory MOSFET, BJT, tyrystory,…). Urządzenia energoelektroniczne charakteryzują się częstotliwościami przełączeń od kilkudziesięciu Hz (tyrystory), kilkudziesięciu kHz (IGBT) do kilku MHz (MOSFET). Przełączenie dużych mocy powoduje generowanie zaburzeń, które przedostają się do sieci zasilającej i mogą powodować zakłócenia w pracy innych urządzeń z niej zasilanej. Widmo częstotliwości zaburzeń zależy od częstotliwości przełączania, zasady działania oraz rodzaju użytych elementów półprzewodnikowych. Charakterystyczne jest powstawanie w widmie zaburzeń prążków o częstotliwościach będących wielokrotnością częstotliwości przełączania. Widmo to można kształtować stosując zaawansowane metody sterowania np. sterowanie wektorowe, ale nie można go wyeliminować. Odpowiednie normy określają maksymalne dopuszczalne poziomy zaburzeń których nie można przekroczyć. Kolejną sprawą jest odporność urządzeń na zaburzenia przychodzące z sieci. Urządzenie musi działać prawidłowo pomimo narażenia go na różnego rodzaju zaburzenia. Poniższa tabela zawiera spis norm ogólnych dotyczących emisji i odporności urządzeń elektrycznych. 3/13 Tab 2.1) Spis norm ogólnych dotyczących odporności i emisji przewodzonej Norma PN-EN 61000-3-2:2004 PN-EN 61000-6-1:2004 PN-EN 61000-6-2:2003 PN-EN 61000-6-3:2004 PN-EN 61000-6-4:2004 Opis Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilający odbiornika ≤16A) Odporność w środowiskach mieszkalnych, handlowych i lekko uprzemysłowionych (zastąpiła EN50082-1:1997) Odporność w środowiskach przemysłowych (zastąpiła EN 61100-6-2:1999) Norma emisji w środowiskach mieszkalnych, handlowych i lekko uprzemysłowionych (zastąpiła EN 50081-1:1992) Norma emisji w środowiskach przemysłowych (zastąpiła EN 50081-2:1993) 2.1 Ograniczenie emisji harmonicznych zgodnie z EN61000-3-2 Ograniczenie emisji zaburzeń niskich częstotliwości (harmoniczne rzędu 3, 5, 7, 11, ...), które występują często w układach tyrystorowych ze sterowaniem fazowym najlepiej ograniczyć stosując dławik sieciowy. Dodatkowo dławik zwiększa odporność urządzeń na harmoniczne przychodzące z zewnątrz. Stosunkowo niska cena dławików sprawia, że są one powszechnie stosowane nie tylko w aplikacjach napędowych. W tabeli 2.2 wyszczególnione zostały negatywne skutki harmonicznych prądu i napięcia. Tab. 2.2) Negatywne skutki wyższych harmonicznych w sieci zasilającej Źródło Harmoniczne prądu Harmoniczne napięcia Negatywne skutki • Przegrzanie przewodu neutralnego (składowa zerowa prądu w przewodzie neutralnym) • Przegrzanie transformatorów • Niepożądane zadziałanie wyłączników automatycznych • Przeciążenie baterii kompensacyjnych do korekcji współczynnika mocy • Zjawisko naskórkowości • Zniekształcenia napięcia • Straty w silnikach indukcyjnych • Zniekształcenia w punktach neutralnych Zastosowanie w układzie napędowym dławika sieciowego pozwala, oprócz znacznej redukcji harmonicznych prądu, na: Prąd [A] • ograniczenie komutacyjnych zapadów napięcia, • ograniczenia prądów rozruchowych, bez dławika • poprawę współczynnika mocy układu, z dławikiem • zwiększa wypadkową niezawodność, • mniejsze straty na ciepło spowodowane przepływem prądów harmonicznych • ochrona elementów półprzewodnikowych • dodatkowe filtry mogą być o niższej wydajności (tańsze). 4/13 RWK 212 DŁAWIK SIECIOWY TRÓJFAZOWY Trójfazowe dławiki sieciowe firmy Schaffner serii RWK 212 zbudowane są na napięcie 400VAC. Zakres prądowy dławików zawiera się w przedziale od 2,1A do 2300A i pozwala dokładnie dobrać konkretny model dławika do aplikacji napędowej. Zastosowanie dławika wejściowego znacznie poprawia współczynnik mocy układu napędowego - tym samym czyni go korzystniejszym z punktu widzenia energetycznej sieci zasilającej. Zastosowanie dławika sieciowego zmniejsza emisję wyższych harmonicznych do sieci zasilającej oraz poprawia odporność na zakłócenia przychodzące z sieci. Dopuszczalna temperatura pracy wynosi 100°C. 2.2 Ograniczenie emisji zaburzeń RFI W aplikacjach napędowych wykorzystujących falowniki tranzystorowe mamy do czynienia z zaburzeniami o częstotliwościach będących wielokrotnością częstotliwości przełączania, czyli częstotliwościach radiowych. Optymalną metodą eliminacji zaburzeń przewodzonych o częstotliwościach radiowych (RFI, Radio Frequency Interferences) jest stosowanie biernych filtrów sieciowych LC. Filtry sieciowe skutecznie tłumią zaburzenia symetryczne (wracające przewodem zasilającym) i asymetryczne (wracające ziemią) w zakresie od kilkudziesięciu kHz do 30 MHz (powyżej tej częstotliwości mówi się raczej o emisji promieniowanej). Warto jednak zwrócić uwagę, że powyżej 10MHz znaczny wpływ na tłumienność ma również prawidłowe i dokładne zamontowanie filtru, podłączenie ekranów w przewodach oraz geometria elementów i przewodów. Filtry zapewniają skuteczną redukcję zaburzeń wynikających z impulsowej pracy układów energioelektronicznych takich jak: falowniki, zasilacze impulsowe, przetwornice itp. Chronią sieć zasilającą, a przez to zapewniają czyste i harmonijne zasilanie pracującym obiektom. W zależności od sposobu zasilania falownika filtry występują jako jednofazowe lub trójfazowe. FN 258 FILTR TRÓJFAZOWY FN 2070 FILTR JEDNOFAZOWY Filtr serii FN 258 jest trójfazowym filtrem dedykowanym do napędów falownikowych zasilanych napięciem trójfazowym 4-przewodowym (L1+L2+L3 + PE). Standardowe napięcie zasilania wynosi 480VAC, ale dostępna jest również wersja HV na 690VAC. Zakres prądowy filtrów to 7A do 250A przy 50°C. Bardzo duża przeciążalność pozwala projektantom i integratorom zapomnieć o problemach związanych z rozruchem i chwilowym przeciążeniem. Dwustopniowa struktura zapewnia duże i skuteczne tłumienie. Filtry te cechują się wąską obudową książkową, dzięki czemu nie zajmują wiele miejsca. Możliwa bezproblemowa współpracują z przewodami silnikowymi do 50m. Filtry serii FN 2070 są filtrami do układów falownikowych lub zasilaczy małych mocy zasilanych napięciem jednofazowym do 250VAC. Zakres prądowy od 1A do 36A. Dwustopniowa struktura zapewnia wysoką tłumienność zoptymalizowaną pod kątem układów z przetwarzaniem impulsowym. Jako opcja występują w wersji medycznej ze znikomym prądem upływu. Filtry tej serii wyposażone są w podstawkę montażową umożliwiającą przykręcenie go do metalowej płaszczyzny szafy lub płaszczyzny PE. Małe wymiary pozwalają łatwo przystosować istniejące aplikacje do wymogów aktualnych norm. Podłączenie przewodów za pomocą standardowych wsuwek 6mm lub przy większych mocach połączeń śrubowych. 5/13 FN 2412 FILTR JEDNOFAZOWY NA SZYNĘ DIN Nowy filtr firmy Schaffner montowany na szynę DIN. Specjalnie zaprojektowane mocowanie zapewnia bardzo niską impedancję dla wysokich częstotliwości dzięki czemu filtr tłumi równie skutecznie jak filtry z podstawką montażową. Jest to pierwszy filtr, który można włączyć zarówno na napięcie fazowe 230VAC (między przewód fazowy i neutralny) jak i na napięcie przewodowe do 520VAC (między dwie fazy), prądy robocze do 45A. Wysokiej klasy złączka śrubowa zapewnia bezpieczeństwo oraz ułatwia montaż. Dostępna również wersja przystosowana do klasycznego montażu typu chassis (podstawka montażowa). Zjadują szerokie zastosowanie w jednofazowych systemach zasilania, układach napędowych 3 Zjawiska na wyjściu falownika Zjawiska zachodzące między falownikiem a silnikiem są często niesłusznie bagatelizowane, ponieważ nie są one przedmiotem norm emisji opisanych w punkcie 2. Jest to jednak poważny błąd, ponieważ zjawiska te mają kluczowe znaczenie jeśli chodzi o niezawodność całego układu napędowego. Poniżej opisane zostaną w skrócie podstawowe problemy z jakimi można się spotkać projektując lub instalując układ napędowy. 3.1 Opis zjawisk i najczęstszych problemów 3.1.1 Duże stromości narastania napięcia wyjściowego du/dt By utrzymać małe straty w falowniku lub serwo należy stosować możliwie najkrótsze czasy przełączania półprzewodników mocy. Skutkuje to tym, że nowoczesne tranzystory IGBT mają czasem stromości narastania napięcia rzędu 12kV/µs. W zależności od silnika dopuszczalna wartość stromości napięcia na uzwojeniu powinna być <1000V/µs (według VDE0503 powinno być 500-1000V/µs). Rys. 3.1) Napięcie modulowane metodą PWM na wyjściu falownika i pojedynczy impuls napięcia. W przypadku krótkich kabli silnikowych do około 20m z powodu małej impedancji kabla te stromości narastania oddziaływują bezpośrednio na izolację uzwojeń silnika. W zależności od struktury cewek przewody uzwojenia, które przenoszą pełne napięcie, są rozmieszczone równolegle obok siebie. Ponieważ ułożone równolegle przewody tworzą między sobą pojemność, to ciągłe skoki napięcia powodują straty na przebiegunowanie w izolacji uzwojeń. Gdy emalia izolująca posiada miejscowe zanieczyszczenia, to powstaną w tym miejscu tzw. gorące punkty (ang. hot spots), skutkiem czego prędzej czy później ulegnie ona uszkodzeniu. 6/13 3.1.2 Przepięcia i piki napięciowe na końcu kabla silnikowego Biorąc pod uwagę budowę i strukturę uzwojeń schemat zastępczy silnika możemy przedstawić jak na poniższym rysunku. Falownik Kabel silnikowy Silnik kabel 10m / kabel 100m Rys. 3.2) Uproszczony schemat zastępczy (pokazana tylko 1 faza) układu napędowego wraz z teoretycznymi impulsami napięcia przy kablu o długości 10m i 100m. Z powodu szybkich impulsów napięcia wynikających z częstotliwości pracy falownika, silnik z kablem zachowuje się jak kondensator a nie, jak w przypadku aplikacji 50Hz, jak indukcyjność. Z każdym dodatkowym metrem kabla dodajemy szczątkową indukcyjność. Indukcyjność ta zachowuje się jak typowy dławik magazynujący energię. Gdy do dławika przyłożymy impuls napięcia pojawi się przepięcie. Im większy jest magazyn energii (indukcyjność) tym większe są amplitudy przepięć. Amplitudy te mogą osiągnąć wartości, które są groźne dla izolacji silnika. Ponieważ impedancja kabla rośnie wraz z jego długością, stromości narastania napięcia du/dt opisane w punkcie 3.1.1 są redukowane i stają się marginalnym problemem. Z drugiej jednak strony ze wzrostem długości przewodu mogą się pojawić wartości szczytowe rzędu 1600V spowodowane odbiciami w przewodach (teoria linii długiej). Pomimo obniżonych wartości du/dt wynikających z większej impedancji nie powoduje to odciążenia izolacji, ponieważ pojawiają się duże amplitudy przepięć, które stają się dominującym składnikiem. 3.1.3 Dodatkowe straty w silniku Na skutek dużych częstotliwości przełączania pojawiają się harmoniczne na wyjściu falownika. Można dowieść matematyczne za pomocą rozkładu Fouriera, że spektrum harmonicznych prądu silnika staje się szersze (zawartość harmonicznych rośnie) wraz ze wzrostem stromości impulsów napięcia du/dt. Tętnienia prądu PWM i harmoniczne powodują dodatkowe straty magnetyczne w silniku, co powoduje stały wzrost temperatury i skraca jego żywotność. 3.1.4 Ekranowanie przewodów i prądy pasożytnicze do ziemi Z punktu widzenia tłumienia zaburzeń RFI konieczne są ekranowane przewody silnikowe po to, by uniknąć przedostawania się zaburzeń do innych przewodów na drodze promieniowanej w zakresie częstotliwości 1MHz do 30MHz. Ekranowanie będzie skuteczne jedynie wtedy, gdy oba końce ekranu zostaną przyłączone do uziemienia falownika i silnika za pomocą obejmy (niska impedancja dla sygnałów RF). Tylko takie połączenie zapewni powrót zaburzeń wysokiej częstotliwości najkrótszą drogą. Przetwornice częstotliwości pracują zazwyczaj w sieci zasilającej z uziemionym punktem odniesienia i nie posiadają separacji potencjałów. Geometryczne rozmieszczenie falownika, silnika i łączących je przewodów ekranowanych powoduje powstanie pasożytniczych pojemności między elektrycznie przewodzącymi elementami w odniesieniu do potencjału uziemienia. Jeśli w falowniku napięcie DC jest przełączane z dużą częstotliwością, wówczas z powodu dużych skoków napięcia przez pasożytnicze pojemności do ziemi płyną prądy o impulsowym kształcie. Poziom zakłócających prądów w ekranie przewodu zależy od wartości du/dt oraz wartości pojemności pasożytniczych (I=C*du/dt). W przewodach o długości około 100m wartości szczytowe impulsów prądu w ekranie rzędu 20A i więcej nie są czymś niezwykłym, niezależnie od mocy układu napędowego. 7/13 Sieć Falownik Ekranowany kabel silnikowy Silnik Rys. 3.3) Pojemności pasożytnicze w układzie napędowym Widmo harmonicznych takich prądów osiąga zakres kilkunastu MHz, dlatego ekran kabli silnikowych musi zapewnić (w zależności od techniki oplotu) bardzo dużą powierzchnię i odpowiedni przekrój poprzeczny by skutecznie przenieść te prądy. Impedancja ekranu powinna być bardzo niska w szerokim zakresie częstotliwości, a straty na skutek zjawiska naskórkowości ograniczone do minimum. Podłączenie ekranu bez obejmy np. na tzw. „świński ogonek” jest nieprawidłowe, ponieważ ekran będzie miał bardzo dużą impedancję dla rozważanych tu wysokich częstotliwości, co niweluje skuteczność ekranowania. Prądy impulsowe mogą płynąć również do położonych równolegle z kablami silnikowymi przewodów sygnałowych i innych elementów elektrycznych w znajdujących się w otoczeniu na wskutek pojemności pasożytniczych. Może to oznaczać narażenie na zaburzenia i niepoprawną pracę. Dodatkowe prądy płynące przez ekran muszą mieć pokrycie w mocy falownika. Nie zależą one jednak wprost od mocy falownika, ale od układu geometrycznego elementów napędu. Przy falownikach małej mocy o długich przewodach silnikowych często się zdarza, że konieczne jest zastosowanie wyższego modelu w typoszeregu falowników, który będzie musiał dostarczyć prądu potrzebnego do normalnej pracy jak również prądy pasożytnicze płynące do ziemi. Praca kilku silników podłączonych równolegle do falownika może być wówczas bardzo problematyczna. Równoległe połączenie przewodów ekranowanych skutkuje relatywnie dużą pojemnością, a co się z tym wiąże dużymi prądami w ekranach i obniżeniem niezawodność całego układu. 3.1.5 Prądy w łożyskach silnika Należy rozróżnić dwa zjawiska powodujące przepływ prądu przez łożyska silnika, a co za tym idzie i ich szybsze zużycie: • Napięcie na wale (wirniku): jest to napięcie indukowane w wale silnika na skutek różnicy w gęstości strumienia wirnika i stojana. Ponadto zależy od długości silnika (wału). Gdy napięcie narasta popłynie prąd po drodze najmniejszej rezystancji, która zamyka się przez łożyska silnika. W długim czasie prąd łożyskowy (I1) skutkuje wysychaniem smaru i uszkodzeniem łożyska. W pewien sposób można ograniczyć ten prąd stosując jako jedno z łożysk łożysko ceramiczne. • Napięcie na łożysku: jest asymetrycznym napięciem, które pojawia się w wyniku sprzężeń pojemnościowych między obudową silnika, stojanem a wirnikiem (C1, C2, C3) i skutkuje przepływem prądu przez łożysko (CBearing, UBearing) wynikłym z du/dt (Idu/dt) oraz prądu z wyładowań elektrostatycznych (IEDM). Dokładniej mówiąc napięcie na łożysku powoduje przepływ dwóch różnych prądów: w pierwszej minucie pracy, gdy smar jest jeszcze zimny, płyną prądy (Idu/dt) rzędu 5-200mA spowodowane przez du/dt przez (CBearing). Te raczej nieznaczne prądy nie powodują uszkodzeń łożysk. Gdy po pewnym czasie smar podgrzeje się pojawiają się prądy (IEDM) o wartościach szczytowych 5A od 10A. Takie wyładowania prądowe pozostawiają mikro wgłębienia na powierzchni łożyska. Praca łożyska staje się stopniowo coraz bardziej nierówna z powodu uszkodzeń powierzchni i czas ich życia znacznie się skraca. Najczęściej napięcie na łożysku wynosi 10V do 30V. Ponieważ napięcie to zależy od napięcia zasilania, to również żywotność łożysk maleje przy wyższych napięciach zasilania. W przypadku zastosowania nie ekranowanych przewodów pojemność przewodu (Ccable) a zatem i prąd (Icable) jest stosunkowo mały. Pojemności pasożytnicze wewnątrz silnika stają się dominujące. W idealnym przypadku prądy pasożytnicze (IC1) płyną przez obudowę silnika do ziemi. Gdy jednak uziemienie silnika jest wykonane nieprawidłowo pojawi się dodatkowa impedancja (Imp) ograniczająca prąd (IC1). Skutkiem pojawienia się dodatkowej impedancji jest wzrost potencjału na (C2, C3 i CBearing). Wartości prądów łożyskowych (IBearing) również znacznie rosną i 8/13 całkowicie płyną przez łożysko do ziemi. W takim przypadku żywotność łożyska, a zatem i całego układu napędowego, skraca się do zaledwie kilku godzin. Rys. 3.4) Rozpływ prądów i rozkład napięć w typowym układzie napędowym z falownikiem 3.1.6 Zaburzenia o charakterze akustycznym W porównaniu z poprzednimi zjawiskami problem pisków i świstów silnika w układzie napędowym spowodowanych przełączaniem napięć z częstotliwością akustyczną wydaje się mało istotny. Jednakże w aplikacjach związanych z ogrzewnictwem, wentylacją i klimatyzacją, gdzie dźwięki akustyczne łatwo przenoszą się przez ciągi powietrzne jest bardzo ważny. Dla klienta końcowego komfort jest bardzo ważny, dlatego przeciwdziałanie temu zjawisku jest koniecznością. 3.2 Rozwiązanie problemu Wymieniowe powyżej niekorzystne zjawiska można znacznie ograniczyć lub nawet całkowicie usunąć stosując odpowiednio dobrane elementy bierne. Wyróżnić możemy tutaj dwie podstawowe grupy produktów: dławiki wyjściowe (silnikowe) ograniczające stromości narastania napięcia du/dt na silniku oraz filtry Sinus zamieniające impulsy PWM w napięcie sinusoidalne. Dzięki tym elementom możemy zasilać silniki nawet nieekranowanymi przewodami o nieograniczonej długości zapewniając jednocześnie możliwie największą niezawodność. 3.2.1 Dławiki wyjściowe du/dt (silnikowe) Typowym rozwiązaniem chroniącym silnik przed ekstremalnie szybkimi zmianami (narastaniem i opadaniem) napięcia zasilającego silnik z przekształtnika częstotliwości są trójfazowe dławiki wyjściowe (silnikowe). Ich rola to przede wszystkim redukcja stromości napięcia du/dt, co znacznie zwiększa żywotność napędu (głownie izolacji uzwojeń). Na rys. 3.5 i 3.6 przedstawiony jest rzeczywisty kształt pojedynczego impulsu napięcia na wyjściu falownika z PWM. Widać wyraźnie, że zastosowanie dławika sieciowego znacznie ogranicza stromości narastania napięcia na silniku. 9/13 Rys. 3.5) Układ bez dławika wyjściowego (du/dt=11kV/µs) Rys.3.6) Układ z dławikiem wyjściowym (du/dt=480V/µs) Szczególnie istotne silniki pracujące w ciągu technologicznym, z ciągłymi zmianami prędkości powinny zawsze pracować w układzie zasilania poprzez dławik wyjściowy. Cały system napędowy (przekształtnik, filtr/dławik, silnik) rozpatrywany jako źródło zaburzeń promieniowanych zachowuje dużo niższe poziomy emisji promieniowanej (ważna zaleta). DŁAWIK WYJŚCIOWY (SILNIKOWY) RWK 305 Częstotliwość kluczowania Dławiki wyjściowe serii RWK 305 produkowane na napięcie 500VAC i prądy robocze od 2A do 2300A na fazę. Dławiki przykręcamy za pomocą podstawki montażowej w szafie sterowniczej. Wykonane z materiałów najwyższej klasy (tylko dopuszczenia UL) gwarantują długą żywotność i niezawodną pracę. Klasa niepalności urządzenia zgodna z UL94V-2 lub lepiej. Przystosowane do pracy przy częstotliwościach silnika do 60Hz. Typowa wartość redukcji du/dt wynosi >5. Długość przewodów silnikowych przy częstotliwości kluczowania 16kHz wynosi 30 metrów, dla dłuższych przewodów należy zmniejszyć częstotliwość (patrz rys. 3.7). Zaleca się stosowanie dławików wyjściowych w każdej aplikacji, szczególnie w szybkich falownikach wektorowych z zamkniętą pętlą regulacji, serwonapędach, przy silnikach z krótkimi przewodami. Długość przewodu Rys. 3.7) Redukcja częstotliwości kluczowania przy długich przewodach dla dławików RWK 305 10/13 3.2.2 Filtry Sinus i SinusPlus Zadaniem sinusoidalnych filtrów wyjściowych jest takie ukształtowanie napięcia wyjściowego falownika PWM, by było ono maksymalnie zbliżone do przebiegu idealnego jakim jest sinus. Filtry sinus, podobnie jak dławiki, włączamy między falownik a silnik, a dokładnie zaraz za falownikiem. UFalownika USilnika IFalownika Isilnika Sieć Filtr Silnik Falownik Rys. 3.8) Rzeczywiste przebiegi prądu i napięcia na falowniku (przed filtrem) i na silniku (za filtrem). FN 5010 FILTR SINUS Sinusoidalny filtr wyjściowy firmy Schaffner serii FN 5010 dostępny jest na napięcia 400VAC lub 690VAC (wersja HV) i prądy od 2,5 A do 610A. Umożliwia poprawną pracę z przewodami silnikowymi do 300m (nieekranowane) lub 400m (ekranowane) w zakresie częstotliwości silnika od 0 do 70Hz i przy częstotliwości PWM od 4 do 16kHz. Stosowany głównie w aplikacjach z długimi przewodami, windy, aplikacje HVAC, systemy pomp pracujących równolegle itp. Znacznie zwiększa niezawodność oraz żywotność silnika. FN 5020 FILTR SINUS Sinusoidalny filtr wyjściowy firmy Schaffner serii FN 5020 dostępny jest na napięcie 500VAC i prądy od 25 A do 120A. Umożliwia poprawną pracę z przewodami silnikowymi do 600m w zakresie częstotliwości silnika do 600Hz i przy częstotliwości PWM od 6 do 15kHz. Wyniesione powyżej filtry sinus nie rozwiązują wszystkich problemów, które zostały opisane w punkcie 3.1 ponieważ ich struktura tłumi jedynie zaburzenia symetryczne. Niektóre z negatywnych zjawisk spowodowanych jest jednak zaburzeniami asymetrycznymi jak np. prądy łożyskowe. Schaffner postanowił wyjść naprzeciw tym problemom. SinusPlus to nowatorska i unikalna koncepcja dwumodułowego filtru sinus. Składa się z tradycyjnego symetrycznego filtra sinus FN 5010 lub FN5020 oraz dodatkowego asymetrycznego modułu FN 5030 (patrz rys. 3.9) . Dodatkowy moduł przy użyciu innowacyjnego połączenia DC-link pozwala na zamknięcie obwodu i powrót zaburzeń asymetrycznych dokładnie do źródła ich powstania. SinusPlus jest koncepcją modułową, w którym filtr asymetryczny FN 5030 nie może pracować autonomicznie (tylko razem z modułem FN 5010 lub FN5020). 11/13 Praca obu modułów ma następujące zalety: • całkowite usunięcie prądów łożyskowych, • możliwość używania nie ekranowanych przewodów bez wpływu na odporność systemu, • praktyczny brak ograniczeń co do długości przewodów silnikowych, • prawie całkowita redukcja prądów impulsowych do ziemi, • brak negatywnego wpływu zaburzeń na otaczający sprzęt i okablowanie, • eliminacja dodatkowych strat w przetwornicy częstotliwości, • zmniejszenie wymagań co do ochrony przeciwzakłóceniowej po stronie wejściowej. Filtr Sinus (sym.) Falownik Sieć Silnik Rys. 3.9) Struktura układu napędowego z zastosowaniem filtrów SinusPlus (tłumienie zaburzeń symetrycznych i asymetrycznych) Ponieważ falowniki pracują w układach sieciowych z ziemią jako punktem odniesienia, każdy pomiar po stronie wyjściowej ma wpływ na stronę wejściową (i odwrotnie). Z faktu że zastosujemy filtry SinusPlus i ograniczymy prądy płynące do ziemi, możemy zastosować na wejściu filtr o mniejszym tłumieniu składowych asymetrycznych, co daje nam dodatkową oszczędność. Filtry SinusPlus są zaprojektowane dla częstotliwości pracy silnika do 600Hz, co uwzględnia tendencję na rynku do stosowania wysokoobrotowych silników. FN 5030 DODATKOWY MODUŁ ASYMTERYCZNY Dodatkowy moduł do symetrycznych filtrów sinus tłumiący zaburzenia asymetryczne. Moduł serii FN 5030 dostępny jest na napięcie 500VAC i prądy od 25 A do 120A. Umożliwia poprawną pracę z przewodami silnikowymi do 600m w zakresie częstotliwości silnika do 600Hz i przy częstotliwości PWM od 6 do 15kHz. UWAGA: moduł ten nie może pracować autonomicznie!. Tab. 3.1) Przykłady zastosowań filtrów SinusPlus Aplikacja Modernizacje Przemysł chemiczny Potencjalne oszczędności Dźwigi Opis Gdy istnieje konieczność wyposażenia istniejącej instalacji w falownik najczęstszym problemem jest to, że przewody (najczęściej nie ekranowane) i silnik nie są przystosowane do pracy z nowoczesnym falownikiem. Ze względu na ich miejsce w systemie napędowym nie ma możliwości ich wymiany lub jest to bardzo trudne (np. podziemne systemy pomp). Z filtrem SinusPlus możliwa jest praca z istniejącymi przewodami nie ekranowanymi i silnikiem. W przemyśle chemicznym w szczególności używanie ekranowanych przewodów często jest wykluczone z powodów bezpieczeństwa. W takich wypadkach dzięki filtrom SinusPlus możliwa jest praca bez konieczności ingerencji w środowisko pracy. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że zamiast prowadzić setki metrów ekranowanego przewodu do silnika można zastosować filtr SinusPlus i prowadzić zwykłe przewody nie ekranowane. Uzyskane oszczędności będą dużo większe niż koszt filtru SinusPlus. Często aplikacje dźwigowe wymagają kabli o dużej elastyczności, co wiąże się z gorszym ich ekranowaniem. Używając filtrów SinusPlus możemy wyjść na przeciw tym wymaganiom. 12/13 4 Podsumowanie Obowiązujące normy nakazują stosowanie elementów redukujących emisję zaburzeń, które w aplikacjach napędowych są szczególnie dokuczliwe. Ścisłe przestrzeganie norm nie daje nam jednak gwarancji dużej niezawodności i trwałości całego układu napędowego. Tam, gdzie niezawodność jest kluczowym parametrem konieczne jest (oprócz obowiązkowych dziś wejściowych filtrów RFI i dławików) zastosowanie elementów wyjściowych jak dławiki du/dt lub filtry sinus. Tylko w taki sposób zapewnimy maksymalną niezawodność i długotrwałą pracę. Przedstawione w tym artykule elementy są jedynie małym fragmentem tego, co firma Schaffner może zaoferować w aplikacjach napędowych. Chętnie służymy rzetelną informacją i z chęcią odpowiemy na pytania związane z kompatybilnością elektromagnetyczną. 13/13
