wersja mobilna
Online: 331 Niedziela, 2016.12.11

Temat miesiąca

Napędy kompatybilne elektromagnetycznie

wtorek, 04 lutego 2014 10:40

Tematyka kompatybilności elektromagnetycznej stanowi nieodłączny element zagadnień związanych z silnikami i napędami elektrycznymi. Dzieje się tak, gdyż te ostatnie cechują się często dużymi mocami, należą do nieliniowych odbiorników prądu i wytwarzają zaburzenia emitowane z okablowania i wprowadzane do sieci zasilającej. Z tych powodów, jak też aby same napędy były mniej wrażliwe na przepięcia z sieci, producenci przemienników częstotliwości wyposażają je w układy filtrów oraz dławiki. W artykule przedstawiamy wykorzystywane rozwiązania i doradzamy, jak tworzyć bardziej niezawodne systemy napędowe. Omawiamy też dobre praktyki związane z wykonywaniem okablowania oraz metody ograniczania emisji zaburzeń elektromagnetycznych.

Spis treści » Przemiennik to obciążenie nieliniowe
» Problem na styku siećzasilająca-przemiennik
» Sposoby na harmoniczne
» Co zmienia dławik na wejściu przemiennika częstotliwości?
» Jak jeszcze można ograniczyć harmoniczne?
» Problemy na styku przeminnik częstotliwości-silnik
» Liczą się dobre praktyki
» Skuteczne ekranowanie
» Filtry są niezbędne
» Pokaż wszystko

Rys. 1. Prostownik na wejściu przemiennika częstotliwości jest dla sieci energetycznej obciążeniem nieliniowym

Zagadnienia związane z kompatybilnością elektromagnetyczną napędów w największym stopniu dotyczą wyjścia tego urządzenia. Generowane w falowniku szybkozmienne przebiegi o częstotliwościach rzędu kilkudziesięciu kiloherców przy napięciach nawet 400 V podawane są na uzwojenia silnika, co tworzy szereg dokuczliwych problemów związanych z emisją zaburzeń z kabli połączeniowych, obudów i uzwojeń, a także problemy z odpornością izolacji przewodów, pojemnościami pasożytniczymi kabli, efektem naskórkowym, itd.

Ograniczenie do minimum tych negatywnych zjawisk wymusza stosowanie krótkich, ekranowanych kabli połączeniowych, stosowanie szczelnych elektromagnetycznie obudów silnika, skuteczne uziemianie obudów całej instalacji napędu. Do tego dochodzi minimalizacja impedancji połączeń wysokoprądowych oraz oczywiście wykonywanie skutecznych połączeń mas. Ważne jest też stosowanie odpowiednich filtrów i zapewnienie symetrii w instalacji oraz jej zwartego charakteru, tak aby przewody były prowadzone blisko siebie, bez tworzenia niepotrzebnych pętli.

Szybkozmienne przebiegi generowane w falowniku przedostają się też do sieci energetycznej, co może być powodem zakłócania pracy innych odbiorników energii i skutkuje obniżeniem jakości zasilania. Zaburzenia takie są ograniczane głównie za pomocą filtrów sieciowych bazujących na elementach LC. Filtry takie wbudowywane są do wnętrza napędów, ale nierzadko również same instalacje zawierają dodatkowe elementy wspomagające działanie tych zintegrowanych.

Trzecim zagadnieniem wiążącym się z prawidłowym działaniem napędów są problemy wynikające z nieliniowego poboru prądu z sieci zasilającej. Obecność prostownika i kondensatora filtrującego w obwodach napędu sprawia, że prąd pobierany z sieci traci swój sinusoidalny charakter na rzecz krótkich impulsów o dużym natężeniu.

Prowadzi to do obniżenia współczynnika mocy, nadmiernego wzrostu wymaganej do jego pracy mocy pozornej dostarczanej przez sieć energetyczną i możliwości przeciążania instalacji elektrycznej. Ze zjawiskiem tym walczy się za pomocą elementów LC o dużych wartościach, których własności filtrujące pozwalają na osłabienie amplitudy stromego impulsu prądu, a także aktywnych układów korekcji PFC i systemów zasilania korzystających z wielu faz.

Marcin Jurga

Astat

  • Co jest ważne patrząc na temat kompatybilności elektromagnetycznej napędów na poziomie systemowym? Jakie dodatkowe urządzenia - takie jak filtry aktywne - mogą być stosowane?

Niestety na to pytanie nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Z punktu widzenia kompatybilności elektromagnetycznej wiele aspektów może mieć istotne znaczenie. Zaburzenia przewodzone generują promieniowane i na odwrót. Zatem nawet dokładnie ten sam system zainstalowany w innym miejscu może mieć inną charakterystykę elektromagnetyczną, gdyż zaburzenia RF zawsze tworzą większą lub mniejszą interakcję z otaczającym i zmiennym środowiskiem elektromagnetycznym.

Środowisko elektromagnetyczne może się również zmienić w czasie. Przykładem może być zakup i uruchomienie nowej maszyny obok starej. Nierzadko poziomy emisji elektromagnetycznej systemu zależą również od geometrii, czyli wzajemnego ułożenia w przestrzeni elementów system względem siebie. Stosowanie filtrów po prostu znacząco minimalizuje nam ryzyko wystąpienia problemów z EMC. Myślę, że określenie "znacząco minimalizuje" jest tutaj jak najbardziej trafne.

  • Czy klienci generalnie interesują się powyższą tematyką na etapie wdrożeń, czy raczej są to zagadnienia pojawiające się w trakcie pracy systemów i bardziej związane z utrzymaniem ruchu i serwisowaniem?

Jeszcze kilka lat temu większość naszych klientów interesowała się kompatybilnością elektromagnetyczną dopiero wtedy, gdy po oddaniu inwestycji do użytku okazywało się, że układ napędowy zakłóca pracę innych urządzeń. Dzisiaj tacy klienci również się zdarzają, ale są to sporadyczne przypadki. Większość firm zajmujących się profesjonalnie napędami, szczególnie dużych mocy, już na etapie projektu uwzględniają konieczność stosowania specjalistycznych filtrów po stronie wejściowej i wyjściowej falownika.

PRZEMIENNIK TO OBCIĄŻENIE NIELINIOWE

Rys. 2. Przemienniki częstotliwości (jednofazowe - a, c i trójfazowe - b, d) pobierają z sieci prąd odkształcony

Przemiennik częstotliwości zbudowany jest typowo z czterech głównych komponentów: prostownika, układu pośredniego (kondensatora wygładzającego), układu wyjściowego (nazywanego w dalszej części artykułu falownikiem) oraz układu sterowania. Jego uproszczony schemat zamieszczono na rysunku 1, Przemienne napięcie wejściowe jest prostowane w mostku diodowym, następnie jest ono wygładzane i przekształcane w falowniku metodą PWM (Pulse Width Modulation, modulacja szerokości impulsów), w napięcie przemienne o zmiennej amplitudzie i częstotliwości. To ostatnie zasila silnik elektryczny, którego prędkość obrotową można regulować, zmieniając parametry modulacji.

Prostownik przemiennika częstotliwości jest dla sieci energetycznej obciążeniem nieliniowym pobierającym prąd o przebiegu odkształconym (prąd impulsowy), co przedstawiono na rysunku 2 a, b. Z kolei na rysunku 2 c, d pokazano jego widmo. Występują w nim harmoniczne o częstotliwościach, które są całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości sieciowej 50 Hz. Wartość składowych wyższych rzędów maleje, a dla powyżej 25-krotności można ją już uznać za pomijalnie małą. W rezultacie zakres częstotliwości harmonicznych nie przekracza 2 kHz.

Przykładowe produkty

Kable TOXFREE ZH ROZ1-K (AS) VFD EM przeznaczone do zasilania silników elektrycznych z przemienników częstotliwości. Budowa: żyły robocze z linek z drutów z miedzi elektrolitycznej, żyła ochronna (podzielona na trzy części rozmieszczone symetrycznie w lukach żył roboczych), izolacja żył z polietylenu usieciowanego (XLPE), podwójne ekranowanie: oplot z cynowanych drutów miedzianych na obwoju z folii aluminiowo-poliestrowej (pokrycie 100%), powłoka zewnętrzna z bezhalogenowych poliolefin LSZH.
www.topcable.com

Dławik sieciowy 3-fazowy dla aplikacji napędowych RWK 212
Prąd znamionowy: 4-1100 A, napięcie: ≤500 VAC, częstotliwość: od 50 do 60 Hz, moc napędu: od 1,5 do 630 kW, współczynnik Uk: 4% (400 VAC, 50 Hz, prąd znamionowy), przeciążenie: 2 × prąd znamionowy przez 30 s, 1,5 × prąd znamionowy przez 1 minutę raz na godzinę, zakres temperatur pracy: od -25°C do +100°C.
www.astat.com.pl

Trójfazowy dławik silnikowy DEX-LM3-008
Maksymalne dopuszczalne napięcie sieci: 750 V, indukcyjność: 4,1 mH, prąd znamionowy: 8 A, maksymalna moc strat przy 12 kHz: 54 W.
www.elektrykasklep.pl

Trójfazowe filtry sieciowe serii FLD
Częstotliwość pracy: do 60 Hz, zasilanie: 3×380/480 VAC (7 A do 210 A), napięcie testu: P/E 2800 VDC P/P 1700 VDC, stopień ochrony: IP20, trwałość: 25 lat pracy w temperaturze 50°C, przeciążalność: 4 × prąd znamionowy przy załączaniu, 1,5 × przez 1 minutę raz na godzinę, temperatura pracy: od -25°C do +85°C, prąd upływu (w zależności od modelu): od 0,5/0,75 mA do 27/130 mA, straty mocy (w zależności od modelu): od 4,5 W do 68 W.
www.falowniki.qnisz.pl

Filtr sinusoidalny szeregu CNW typu CNW 933
Napięcie znamionowe: 400 V 50/60 Hz, prąd znamionowy (w zależności od modelu): 4 - 250 A, napięcie probiercze: L-L 2100 VDC 1 s, L-PE 2700 VDC 1 s, przeciążalność: 1,5 × prąd znamionowy 1 min / h, częstotliwość przemiennika: 4 - 8 kHz, kabel silnikowy: do 200 m.
www.croma.com.pl

PROBLEM NA STYKU SIEĆ ZASILAJĄCA-PRZEMIENNIK

W odróżnieniu od zaburzeń elektromagnetycznych wysokoczęstotliwościowych, których źródła są zwykle nieskorelowane, harmoniczne wytwarzane przez różne urządzenia są zsynchronizowane, przez co kumulują się. W rozbudowanych układach napędowych i wszędzie tam, gdzie istnieje duże nagromadzenie nieliniowych obciążeń (m.in. na zasilaczach UPS, świetlówkach, zasilaczach impulsowych) mogą one stanowić duży problem.

Przyjmuje się, że jeżeli system zasilania jest w ponad 20% obciążony przez urządzenia z prostownikiem na wejściu, harmonicznych prądu przez nie pobieranego nie wolno już bagatelizować. Powodują one bowiem m.in.: odkształcanie się napięcia sieciowego, zmniejszenie współczynnika mocy, uszkodzenie układów jego korekcji (baterii kondensatorów).

Ich skutkiem jest też przegrzewanie się przewodów neutralnych, silników indukcyjnych i transformatorów, a także nieuzasadnione załączenia automatycznych wyłączników oraz bezpieczników i błędne wyniki pomiarów. Wpływ obciążeń nieliniowych na inne urządzenia zasilane z tego samego źródła próbuje się zmniejszyć na kilka sposobów.

SPOSOBY NA HARMONICZNE

Warto na przykład rozważyć rozdzielenie obwodów, z których zasilane są te drugie, od tych, do których przyłączone są odbiorniki nieliniowe. Dodatkowo tam, gdzie to możliwe, napędy zasilane ze źródła jednofazowego można zastąpić tymi zasilanymi ze źródła trójfazowego. Jeżeli falownik przemiennika wyposażony jest w układy do kompensacji, można użyć kondensatora wygładzającego o mniejszej pojemności. Harmoniczne prądu, zwłaszcza składowe wyższych rzędów, można też zmniejszyć, umieszczając na wejściu przemiennika częstotliwości szeregową indukcyjność, czyli dławik sieciowy.

Jest on zbudowany z uzwojeń miedzianych albo wykonanych z aluminium nawiniętych na rdzeń ferromagnetyczny. Jego najważniejsze parametry to: indukcyjność, prąd znamionowy oraz współczynnik Uk. Ten ostatni charakteryzuje spadek napięcia na dławiku przy prądzie i częstotliwości znamionowej. Wyraża się go procentowo w odniesieniu do wartości znamionowej napięcia zasilania. Do przemienników częstotliwości najczęściej dobiera się dławik sieciowy, dla którego Uk wynosi 2% albo 4%.

Case study - Koszty oszczędności

Park maszynowy pewnej fabryki powiększono o nowe i bardzo kosztowne centrum obróbcze. Jego częścią był układ napędowy, który według deklaracji producenta spełniał wytyczne normy PN/EN 61800-3. Po uruchomieniu nowo zakupionej maszyny zaobserwowano pogorszenie się jakości energii w sieci zakładowej. Okazało się, że z tego powodu niektóre urządzenia w zupełnie innej części fabryki przestały działać poprawnie. Po wyłączeniu "pechowego" centrum obróbczego wszystko wracało do normy. Dokładne pomiary wykazały, że źródłem zaistniałego problemu są zaburzenia o amplitudzie kilku woltów i częstotliwości 10-30 kHz.

Ponieważ norma PN/EN 61800-3 nie określa limitów dla emisji przewodzonej poniżej 150 kHz, producent maszyny na jej wejściu zainstalował filtr sieciowy tłumiący zaburzenia właśnie powyżej tej częstotliwości progowej. Przemiennik częstotliwości napędu tej maszyny był natomiast źródłem zaburzeń o częstotliwościach będących wielokrotnością 2 kHz (tzn. częstotliwości kluczowania jego falownika). Ostatecznie stwierdzono, że przyczyną problemów był rezonans użytego filtru sieciowego wywołany przez te zaburzenia. Natychmiast zastąpiono go nowym, który tłumił zaburzenia o częstotliwościach już powyżej 10 kHz. Ten ostatni, mimo podobnych rozmiarów, był dużo cięższy, grzał się bardziej i, przede wszystkim, był znacznie droższy, niż ten zainstalowany oryginalnie przez producenta centrum obróbczego.

Okazało się, że jedynym "winnym" tej sytuacji był właśnie ten ostatni - sprawdzono bowiem, że nowy filtr był rekomendowany przez producenta przemiennika częstotliwości. Nie przestrzegając tego zalecenia dostawca maszyny co prawda zaoszczędził na filtrze, ale jednocześnie naraził na straty finansowe swojego klienta. Sam również poniósł nadplanowe koszty, ponieważ jego pracownicy w ramach gwarancji serwisowej przez kilka tygodni analizowali przyczyny awarii na miejscu.



 

zobacz wszystkie Nowe produkty

Czujnik przewodności 1 µS/cm...500 mS/cm do aplikacji o wysokich standardach higienicznych

2016-12-09   | Endress+Hauser Polska Sp. z o.o.
Czujnik przewodności 1 µS/cm...500 mS/cm do aplikacji o wysokich standardach higienicznych

Endress+Hauser informuje o wprowadzeniu do oferty nowego typu czujnika przewodności o oznaczeniu Memosens CLS82D, zaprojektowanego do aplikacji o wysokich standardach higienicznych, m.in. biotechnologii, farmacji i produkcji żywności. Jest to czujnik 4-elektrodowy charakteryzujący się zakresem pomiarowym od 1 µS/cm do 500 mS/cm i zakresem dopuszczalnych temperatur pracy od -5 do +120°C.
czytaj więcej

Brama sieciowa do zastosowań w przemysłowych sieciach IoT

2016-12-09   | RS Components Sp. z o.o.
Brama sieciowa do zastosowań w przemysłowych sieciach IoT

RS Components został wyłącznym dostawcą bramy IoT firmy Siemens - Simatic IOT2020. Została ona zaprojektowana do ciągłej pracy w środowisku przemysłowym i może być używana do pobierania, przetwarzania, analizowania oraz przesyłania danych do urządzeń i sieci praktycznie każdego typu.
czytaj więcej

Nowy numer APA