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
Download