Jakie kable do przemienników częstotliwości?

Przemienniki częstotliwości zmieniają częstotliwość oraz napięcie prądu przemiennego zasilającego silnik, co umożliwia regulowanie jego prędkości obrotowej oraz momentu obrotowego. Ich główne bloki funkcyjne to: prostownik, kondensator wygładzający, falownik i sterownik. Zasada działania przemienników częstotliwości jest następująca: przemienne napięcie wejściowe jest prostowane w mostku diodowym, następnie wygładzane, a na koniec przekształcane w falowniku w zasilające silnik napięcie przemienne o zmiennej amplitudzie i częstotliwości.

Jaką rolę odegrały tranzystory w falownikach?

Pierwsze generacje falowników wykorzystywały tyrystory albo zwykłe tranzystory bipolarne. Wraz z ich zastąpieniem tranzystorami bipolarnymi IGBT parametry pracy przemienników częstotliwości znacząco się poprawiły. Przede wszystkim tranzystory z izolowaną bramką wyróżnia duża szybkość przełączania. To oznacza mniejsze straty energii, co zmniejsza wymagania w zakresie chłodzenia i pozwala na bardziej kompaktową konstrukcję napędu. Większa częstotliwość nośnej redukuje także hałas, harmoniczne i ogranicza prąd szczytowy, co zapobiega przegrzewaniu się silnika i zapewnia większy prąd użyteczny w całym zakresie prędkości. Z drugiej jednak strony upowszechnienie się falowników z tranzystorami IGBT ujawniło poważny problem, jakim jest powstawanie na zaciskach silnika fali odbitej, która nakłada się na napięcie w kablu.

Jak powstaje fala odbita?

Kiedy fale rozchodzące się w wodzie napotkają barierę, odbijają się od niej i nakładają na kolejne fale przychodzące. Analogicznie fala napięcia przemieszczająca się wzdłuż linii transmisyjnej ulega odbiciu od obciążenia, o ile jego impedancja charakterystyczna nie jest równa impedancji linii.

W przypadku napędów z przemiennikami częstotliwości kabel łączący je z silnikiem pełni funkcję linii transmisyjnej. Ponieważ impedancja charakterystyczna kabla jest zwykle mniejsza niż impedancja charakterystyczna silnika, na jego zaciskach pojawia się fala odbita.

W pewnych warunkach, gdy długość kabla silnika jest większa lub równa długości krytycznej, przy której czas potrzebny do przebycia przez falę napięcia drogi od przemiennika do silnika jest dłuższy niż połowa czasu narastania napięcia, fala odbita nałoży się na tę padającą. Jeśli impedancja silnika jest odpowiednio większa od impedancji kabla, amplitudy fali odbitej i padającej mogą być nawet sobie równe. To skutkuje podwojeniem napięcia powodującym przepięcia.

Fala odbita a wyładowania koronowe

Grozi to przekroczeniem wartości napięcia granicznego wyładowania koronowego. Jest to jedna z form wyładowania niezupełnego, w której napięcie przekracza wartość krytyczną, ale nie występują warunki, które pozwoliłyby na wytworzenie się łuku elektrycznego. Do wyładowania koronowego dochodzi na skutek przepływu prądu między elektrodami oddzielonymi nieprzewodzącym płynem, jak powietrze, w wyniku zjonizowania tego płynu. Powstaje wtedy plazma, a ładunki elektryczne rozprzestrzeniają się, przechodząc od jonów do cząstek gazu.

Towarzyszy temu emisja niebieskiego światła i syczącego dźwięku o natężeniu rosnącym wraz z napięciem. Wytwarzany jest również ozon, a w obecności wilgoci kwas azotowy – obie substancje oddziałują niszcząco na tworzywa sztuczne. Powodowane falami odbitymi skoki napięcia mogą jonizować powietrze w szczelinie powietrznej między uzwojeniami silnika, jak również powietrze pomiędzy izolacją kabla a płaszczem kabla. Oba te elementy mogą zatem ulec uszkodzeniu, a nawet zniszczeniu na skutek wyładowań koronowych.

Najskuteczniej występowaniu fal odbitych i przepięć można zapobiec, używając kabla krótszego niż maksymalnie zaleca producent. Jeżeli nie jest to możliwe, stosuje się dławiki wyjściowe, filtry i układy dopasowujące, które ograniczają albo eliminują te niepożądane zjawiska, chroniąc silnik i kabel przed uszkodzeniem.

Napięcia i prądy wspólne

Wyróżnikiem napędów z przemiennikami częstotliwości są także napięcia i prądy wspólne, których źródłem są falowniki sterowane sygnałem PWM. Na rysunku 1 przedstawiono sumę przebiegów napięć w trójfazowym układzie zasilania silnika przez napęd tego typu, która jak widać, nie w każdym punkcie wynosi zero, inaczej niż w typowym trójfazowym układzie zasilania z sieci energetycznej, w przypadku której suma trzech faz jest zawsze równa zeru i składowa wspólna nie występuje (rys. 2). Ma to negatywne konsekwencje, ponieważ ilekroć w obwodzie zasilanym przez przemiennik częstotliwości suma ta ulega zmianie, do ziemi płynie prąd proporcjonalny do tej zmiany. W ten sposób tworzą się pętle prądowe mogące uszkadzać lub zaburzać działanie komponentów systemu.

 

Rys. 1. Suma przebiegów napięć w trójfazowym układzie zasilania przez przemiennik częstotliwości

 

Rys. 2. Suma przebiegów napięć w trójfazowym układzie zasilania z sieci energetycznej

Prądy wspólne indukowane przez napięcia wspólne rozchodzą się przez pojemności pasożytnicze, które występują pomiędzy elementami kabla (przewodami, ekranem) i silnika (od ramy do stojana, przez łożyska do wału oraz wirnika). Przedstawiono je na rysunku 3, na którym dodatkowo strzałkami zaznaczono przykładowe ścieżki przepływu prądów wspólnych.

 

Rys. 3. Pojemności pasożytnicze i drogi przepływu prądów wspólnych

Tymi drogami mogą się sprzęgać zaburzenia wysokoczęstotliwościowe zakłócające pracę układów cyfrowych. Ponadto prądy wspólne o wysokiej częstotliwości mogą płynąć z ramy silnika (stojana) przez pojemność między łożyskami a bieżnią zewnętrzną przez wał napędzanej maszyny do masy. Przepływ prądów łożyskowych jest zjawiskiem niepożądanym, ponieważ powoduje powstawanie wżerów na powierzchni bieżni, co z czasem prowadzi do uszkodzenia łożysk.

Jakie kable do przemienników częstotliwości?

Ważne jest, by wybrany kabel został zaprojektowany i wykonany tak, aby ograniczał wyżej opisane problemy. Powinien m.in. charakteryzować się jak najmniejszą impedancją. Po pierwsze, wtedy z napędu do silnika przekazywana jest maksymalna moc używana do wykonania użytecznej pracy. Ponadto stworzenie ścieżki uziemienia o niskiej impedancji pomiędzy silnikiem a przemiennikiem jest niezbędne do zmniejszenia różnic potencjałów, a tym samym ograniczenia prądów wspólnych.

Używanie nieekranowanych kabli w napędach z przemiennikami częstotliwości trzeba ograniczyć do minimum albo całkowicie wyeliminować, gdyż stanowią niekontrolowaną ścieżkę do uziemienia dla sprzęganych z nimi zaburzeń. Kable bez ekranu są szczególnie niezalecane w sąsiedztwie również nieekranowanych kabli komunikacyjnych.

Jeżeli mimo to zakłócenia, których źródłem są kable przemienników częstotliwości, są problemem, należy zweryfikować sposób ich prowadzenia względem okablowania, które zakłócają. Wrażliwe na zaburzenia są zwłaszcza kable z sygnałami sterującymi i pomiarowymi, dlatego należy zapewnić możliwie największą odległość pomiędzy nimi, a kablami napędu z przemiennikiem częstotliwości. Zaleca się, by dystans ten w przypadku ekranowanych kabli z sygnałami sterującymi i pomiarowymi wynosił co najmniej 30 centymetrów, a w przypadku tych nieekranowanych był trzy razy większy. Jeżeli tego warunku nie można spełnić, należy przynajmniej zminimalizować liczbę oraz długość odcinków, na których problematyczne okablowanie biegnie równolegle. Aby ograniczyć sprzęganie zaburzeń w przypadku kabli, które muszą się przeciąć zaleca się ich skrzyżowanie prostopadle w jednym punkcie.

Ważna właściwość izolacji kabla to stała dielektryczna. Powinna mieć jak najmniejszą wartość, aby miał on małą pojemność, co zminimalizuje odbicia napięcia z silnika z powrotem do napędu. Poza tym izolacja o małej stałej dielektrycznej zmniejsza energię zmagazynowaną w kablu, a tym samym zwiększa krytyczną odległość, przy której fala odbita nakłada się na tę padającą. Pozwala to na podłączenie silnika do napędu dłuższym kablem. Materiałem, który spełnia ten wymóg, jest XLPE. Zastosowanie izolacji z tego materiału zmniejsza również prawdopodobieństwo, że kabel ulegnie zniszczeniu na skutek wyładowań koronowych – inaczej niż w przypadku PVC, który ulega pod wpływem wysokiej temperatury stopieniu; na powierzchni XLPE pod wpływem ciepła powstaje bowiem izolująca termicznie zwęglona warstwa. Hamuje ona dalszą degradację kabla.

Monika Jaworowska