Napędy kompatybilne elektromagnetycznie

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.

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.

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%.