Harmoniczne prądu wytwarzane przez prostowniki

Ochrona przeciwporażeniowa instalacji
napędowych z napięciowymi przemiennikami
częstotliwości zasilanymi z sieci TN-S do 1kV.
• Prądy i napięcia na wejściach i wyjściach mocy
przemiennika napięciowego.
• Przemiennik częstotliwości a zagrożenie porażeniem.
dr inż. Jerzy Szymański
Politechnika Radomska
e-mail: [email protected]
Dr inż. J. Szymański
Strona 1
Nieliniowe obciążenie – źródło harmonicznych prądu
i zwiększonych zakłóceń
Nieliniowe obciążenie
zniekształcenie prądu
Impedancja
układu zasilania
Występowanie harmonicznych
nieparzystych: 1, 5, 7, 11 ...
zniekształcenia napięcia
Zakłócenia
przekazywane do otoczenia
Harmoniczne prądu są przyczyną nieprawidłowego działania wielu technicznych
środków ochrony przeciwporażeniowej wskutek występowania dużych zakłóceń
asymetrycznych.
Dr inż. J. Szymański
Strona 2
Zniekształcenia prądu zasilania prostownika 3f6d
Analiza harmonicznych
-----------------------------------------------Składowa podstaw. 38.57 A
Współ. THDi
104.52%
I RMS
55.79 A
Stała Harm. - Hc
704 %
Harmoniczne:
5’th
30.41 A
7’th
23.64 A
11’th
10.01 A
13’th
5.07 A
------------------------------------------------
 I
H c    h h
I1
h2 

THDu  H c
2

 100%

I FL
%
I SC
IFL- pełny prąd odciążenia przemiennika,
ISC – prąd zwarciowy transformatora
zasilania
Dr inż. J. Szymański
Strona 3
Przemiennik częstotliwości w instalacji napędowej to źródło
prądów zakłóceń generowanych do sieci i silnika
A [mm2]
R [mOhm/m] X [mOhm/m] Z [mOhm/m]
Imax [A]
10
1,810
0,103
1,813
50
35
0,530
0,092
0,538
111
50
0,390
0,09
0,400
134
95
0,200
0,086
0,218
207
120
0,157
0,086
0,179
239
Każde 10 metrów kabla NN – 10 mm2
odpowiada reaktancji indukcyjnej dla 50Hz - X, ok. 1mW
Dwa obwody generowania zakłóceń asymetrycznych
o zmiennej dynamice:
1. Prostownik 3f6d przemiennika - sieć zasilania
(zależnie od obciążenia)
2. Falownik PWM przemiennika – silnik
(zależnie od częstotliwości harmonicznej podstawowej
napięcia zasilania silnika)
Rezonans
szeregowy napięciowy
Dr inż. J. Szymański
Strona 4
Rodzaj i sposób podłączenia kabla silnikowego
decyduje o zapewnieniu ochrony dodatkowej
napięciowy przemiennik
częstotliwości
zasilanie
3x400V/50Hz
AC/DC
L1
SILNIK AC
U
DC/AC
PE
kabel silnikowy
M
ZI
Z II
Napięcie międzyfazowe i prąd wyjściowy
przemiennika PWM
Tdz=5ms. Udz=200V, Idz=5A, fh1=40Hz.
Z PE1
Kabel ekranowany zmniejsza zawartość prądów zakłóceń wspólnych
w przewodzie ochronnym PE między silnikiem i przemiennikiem:
1.
2.
Ważne jest dwustronne łączenie kabla przy większych
odległościach.
Zwiększanie przekroju przewodu ochronnego PE nie wpływa na
zmniejszenie poziomu prądów zakłóceń wspólnych.
Napięcie fazowe i prąd wyjściowy
przemiennika PWM obciążonego
silnikiem klatkowym.
Dr inż. J. Szymański
Strona 5
Głębokość modulacji PWM (MSI) zwiększa zakłócenia
asymeryczne
Napięcie międzyfazowe silnika zasilanego z napięciowego
falownika PWM dla podstawowej harmonicznej o
częstotliwości 5Hz i wartości skutecznej 136V.
Napięcie na zaciskach silnika: fh1=5Hz
(Umax=768V, Umin=-600V)
Widmo harmonicznych napięcia;
RMS=136V, Peak=768V,
Napięcie międzyfazowe silnika zasilanego z napięciowego
falownika PWM dla podstawowej harmonicznej o
częstotliwości 50Hz i wartości skutecznej 420V.
Silnik: ESg90L4B/TAMEL – 380V/IN=3.7 A/MN=10.1 Nm/PN=1.5 kW/ izol. kl. B/nn=1420 obr/min
Odległość: silnik – przemiennik = 3 m,
+
Modulacja napięcia wyjściowego przemiennika: VVC
(3rd generation PWM principle SFAVM – Stator Flux oriented Asynchronus Vector Modulation)
Napięcie na zaciskach silnika: fh1=50Hz
(Umax=768V, Umin=-600V)
Widmo harmonicznych napięcia;
RMS=420V, Peak=648V
Uwaga: Przy obciążeniu silnika stałym momentem nominalnym,
poniżej 15 Hz występuje przegrzewanie silnika.
Dr inż. J. Szymański
Strona 6
Podsumowanie
Zagrożenia właściwej pracy technicznych środków ochrony przeciwporażeniowej.
HARMONICZE PRĄDÓW ZAKŁÓCEŃ ASYMETRYCZNYCH NA ZASILANIU GWAŁTOWNIE SIĘ
ZWIĘKSZAJĄ PRZY PRZEWYMIAROWANYCH LUB NIEDOCIĄŻONYCH PRZEMIENNIKACH
CZĘSTOTLIWOŚCI:
• UNIWERSALNE PRZEMYSŁOWE PRZEMIENNIKI, TJ. DEDYKOWANE DO NAPEDÓW STAŁO
I ZMIENNOMOMENTOWYCH O PRZECIĄŻENIU 150-200% IN SĄ DUŻYM ŹRÓDŁEM
HARMONICZNYCH ( Hc PRZY OBCIĄŻENIU NOMINALNYM WYNOSI OK. 700% ).
• PRZEMIENNIKI DO DEDYKOWANE DO APLIKACJI WENTYLATOROWO-POMPOWYCH SĄ
DUŻYM ŹRÓDŁAMI ZAKŁÓCEŃ HARMONICZNYCH ZE WZGLĘDU NA ICH DUŻE
NIEDOCIĄŻENIE PRZY ZMNIEJSZANIU PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKA.
Ograniczenia zastosowania technicznych środków ochrony:
• BRAK MOŻLIWOŚCI STOSOWANIA WYŁĄCZNIKÓW PRZECIWPORAŻENIOWYCH
RÓŻNICOWOPRĄDOWYCH (DO 30mA).
• TYPOWE PRĄDY ZAKŁÓCEŃ ASYMETRYCZNYCH W PRZEWODZIE PE OSIĄGAJĄ
WARTOŚCI 50 – 100mA. ZALEŻĄ ONE OD DŁUGOŚCI I RODZAJU KABLA SLINIKOWEGO.
• STOSOWANIE W INSTALACJI Z PRZEMIENNIKAMI WEJŚCIOWYCH FILTRÓW
HARMONICZNYCH PRĄDU I WYJŚCIOWYCH FILTRÓW HARMONICZNYCH NAPIĘCIA, MOŻE
UMOŻLIWIĆ WŁAŚCIWĄ PRACĘ TECHNICZNYCH URZADZEŃ UZUPELNIAJACYCH
OCHRONE PODSTAWOWĄ I DODATKOWĄ.
Dr inż. J. Szymański
Artykuł i prezentację udostępnię dla dydaktyki e-pocztą.
Strona 7