CO ZMIENIA DŁAWIK NA WEJŚCIU PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI?

Rys. 3. Komutacyjny zapad napięcia

Jego rola jest podwójna - zarówno ogranicza zaburzenia wprowadzane przez przemiennik częstotliwości do sieci energetycznej, jak też chroni go przed zaburzeniami pochodzącymi od tej ostatniej. Dławik zmniejsza przede wszystkim stromość (a także amplitudę) impulsów prądu pobieranych z sieci przez prostownik przemiennika. Zawartość harmonicznych skuteczniej ograniczają dławiki z Uk o wartości 4% (w porównaniu do tych z Uk o wartości 2% mają one jednak większe wymiary).

Element ten zapobiega również zapadom komutacyjnym napięcia zasilającego (patrz rys. 3), które mogą powstawać w momencie przełączania diod prostownika na wejściu przemiennika częstotliwości. Zdarza się wówczas, że podczas gdy jedna dioda nie przejdzie jeszcze w stan zatkania, druga już zaczyna przewodzić, co skutkuje zwarciem zasilania. Płynie wtedy prąd o dużym natężeniu, które ograniczane jest wyłącznie przez rezystancję przełącznika mocy oraz impedancję sieci.

Uzupełniając obwód o dławik sieciowy, zwiększa się tę ostatnią, dzięki czemu amplituda zapadu napięcia jest mniejsza. Ponadto komponenty te ograniczają prąd rozruchowy, który jest efektem ładowania się kondensatora wygładzającego i zabezpieczają przemiennik częstotliwości przed udarami z sieci energetycznej będącymi skutkiem m.in. wyładowań atmosferycznych oraz przełączeń baterii kondensatorów korygujących współczynnik mocy.

JAK JESZCZE MOŻNA OGRANICZYĆ HARMONICZNE?

Rys. 4. Prostownik 12-pulsowy

Dławik może być również zamontowany szeregowo z kondensatorem wygładzającym. Zapewnia on wtedy poziom ochrony analogiczny jak dławik sieciowy - poza zabezpieczeniem prostownika przemiennika przed zaburzeniami z sieci zasilającej. Uwzględniając specyfikę danej instalacji, należy zatem rozważyć, czy dołączenie indukcyjności jeszcze na wejściu układu napędowego jest w jej wypadku zasadne.

Na wejściu trójfazowych falowników PWM najczęściej pracują sześciopulsowe prostowniki diodowe. Aby wyeliminować harmoniczne 5. i 7. rzędu, zastępuje się je układem dwunastopulsowym, który powstaje przez połączenie dwóch takich prostowników. Osiemnastopulsowy układ, który zbudowany jest z trzech prostowników sześciopulsowych, eliminuje z kolei harmoniczne również rzędu 11., 13. oraz 15., czyli aż do p-1, gdzie p to liczba pulsów prostownika. Analogicznie efekt ten o kolejne składowe zostanie rozszerzony w układzie 24-pulsowym.

Prostowniki wielopulsowe mają też wady, którymi są przede wszystkim większy koszt i złożoność. Ta ostatnia wynika z konieczności przystosowania konstrukcji transformatora - przykładowo do zasilania prostownika dwunastopulsowego wymagany jest transformator z dwoma uzwojeniami wtórnymi, jednym połączonym w układzie gwiazdy, a drugim - trójkąta (patrz rys. 4). Alternatywą są tutaj przemienniki z aktywnym prostownikiem wejściowym.

PROBLEMY NA STYKU PRZEMIENNIK CZĘSTOTLIWOŚCI-SILNIK

Rys. 5. Drogi emisji zaburzeń powstających na wyjściu falownika

Napięcie wyjściowe falownika ma postać ciągu impulsów o zmiennej szerokości oraz amplitudzie. Ich parametrem jest również czas narastania, który określa, jak szybko napięcie rośnie od 0,1 do 0,9 wartości impulsu. Aby ograniczyć straty mocy w kluczach tranzystorowych (wykorzystywane są tu powszechnie tranzystory IGBT), konieczne jest ich jak najszybsze przełączanie, co skutkuje odpowiednio krótszymi czasami narastania - rzędu zaledwie kilkuset ns. Stromość zboczy narastających impulsów wyjściowych falownika wynosi wtedy nawet kilkanaście kV/µs i w efekcie stają się one źródłem zaburzeń elektromagnetycznych na wyjściu przemiennika.

Na rysunku 5 przedstawiono główne drogi emisji wymienionych zaburzeń. Jedną z nich jest kabel zasilający silnik, który w takich warunkach jest anteną. Źródłem problemów są także pasożytnicze pojemności między uzwojeniami silnika a jego obudową oraz między kablem zasilającym silnik a ziemią. Ich wartości są pomijalnie małe (odpowiednio do kilkuset nF oraz pF), jeśli silnik podłączony jest bezpośrednio do sieci energetycznej.

Szybkie przełączenia impulsów napięcia wyjściowego falownika skutkują jednak powstaniem zaburzeń w postaci prądów płynących przez pojemności do ziemi. Specyfika napięcia PWM może ponadto powodować m.in.: uszkodzenie izolacji kabla zasilającego silnik, jego uzwojeń i łożysk (m.in. na skutek wyładowań koronowych w tym pierwszym), przepięcia, nagrzewanie się, a w efekcie pogorszenie sprawności energetycznej oraz skrócenie żywotności silnika, a nawet uciążliwy hałas (silnik "piszczy i świszczy").

LICZĄ SIĘ DOBRE PRAKTYKI

Aby uniknąć opisanych w poprzednim rozdziale efektów, kluczem staje się odpowiednio zaprojektowany i wykonany kabel łączący silnik z przemiennikiem, a także poprawne uziemienie systemu napędowego. Nie powinno się ponadto dopuszczać do przecinania biegu (jeżeli jest to konieczne, to dozwolone jest wyłącznie pod kątem prostym i tylko w jednym punkcie) oraz równoległego prowadzenia kabli zasilających przemiennik i silnik oraz tych sygnałowych. Przyjmuje się, że jeżeli odstęp między nimi jest mniejszy niż 30 cm, to odcinek, na którym ułożone są one obok siebie w taki sposób, nie może być dłuższy niż 1 m. Kable tego typu nie powinny zatem dzielić jednego kanału, chyba że są ekranowane, a ich ekrany są poprawnie podłączone do masy urządzeń.

Najlepiej jeżeli w danej instalacji da się zrealizować wspólną płaszczyznę masy, do której będą przyłączane wszystkie obwody wymagające uziemienia - idealnie, gdy za pośrednictwem możliwie jak najkrótszych przewodów, płaskich i o dużym przekroju poprzecznym. Jeżeli jednak nie jest to wykonalne, warto rozważyć rozdzielenie płaszczyzny masy na tę dla zasilania i sygnałową. Aby to rozwiązanie było skuteczne, trzeba ściśle przestrzegać tego podziału, co w rozbudowanych instalacjach bywa kłopotliwe.

SKUTECZNE EKRANOWANIE

Rys. 6. Filtr sieciowy

Emisję zaburzeń promieniowanych ogranicza się, ekranując kabel zasilający silnik (dla lepszego efektu dobrze, jeżeli jest on również możliwie najkrótszy). W tłumieniu zaburzeń w kablach tego typu najlepiej sprawdzają się ekrany z taśmy miedzianej i połączenia folii z oplotem, natomiast te wykonane wyłącznie z folii są zwykle "za słabe". Wielu problemów wynikających ze specyfiki zasilania napięciem PWM można również uniknąć, uwzględniając przy wyborze kabla właściwości jego izolacji.

Jednym z ważniejszych parametrów jest względna przenikalność elektryczna (stała dielektryczna). Określa ona ilość energii elektrostatycznej, którą dielektryk może zmagazynować po przyłożeniu do niego napięcia o danej wartości. Dobrze, gdy izolacja kabla ma małą przenikalność elektryczną (i jest gruba), bo dzięki temu charakteryzuje go mała pojemność pasożytnicza (a w efekcie większa impedancja pojemnościowa, która przekłada się na mniejsze natężenie prądu płynącego przez pojemność pasożytniczą).

Przykładem takiego materiału jest polietylen usieciowany (XLPE), natomiast popularny materiał izolacyjny PVC nie jest w tym wypadku zalecany. Dzięki mniejszej pojemności pasożytniczej kabla łatwiej można też zmniejszyć niedopasowanie jego impedancji z impedancją przemiennika i silnika, co jest korzystne z dwóch powodów. Jeżeli impedancje te są silnie niedopasowane, na zaciskach silnika powstaje fala odbita, która nakłada się na napięcie w kablu (efekt ten jest tym silniejszy, im kabel łączący przemiennik z silnikiem jest dłuższy).

Powoduje to nawet kilkukrotne przekroczenie wartości znamionowej tego ostatniego. Przepięcia te grożą uszkodzeniem elementów systemu - na przykład przebiciem izolacji uzwojeń silnika lub kabla. Lepsze dopasowanie impedancji ogranicza też straty energii zasilającej silnik, co poprawia sprawność energetyczną systemu napędowego. Ważną rolę w zapewnieniu EMC układów napędowych odgrywają również filtry instalowane na wejściu oraz wyjściu przemiennika częstotliwości.

FILTRY SĄ NIEZBĘDNE

Aby zmniejszyć przenikanie zaburzeń z wyjścia przemiennika częstotliwości do sieci zasilającej, na wejściu napędu umieszcza się filtry sieciowe, które ograniczają zaburzenia przewodzone, zarówno te symetryczne, czyli wracające przewodem zasilającym, jak te asymetryczne (wracające ziemią).

Układy te zbudowane są jako układy LC (złożone z cewek oraz kondensatorów), które są połączone w taki sposób, aby zapewniały drogę powrotną dla prądów w.cz. generowanych przez falownik do źródła tych zaburzeń. Przykładowy schemat filtru sieciowego przedstawiono na rysunku 6. Kluczowe parametry tych układów to prąd upływu i charakterystyka tłumienia.

Połączenie przemiennika częstotliwości i silnika również zabezpiecza się, instalując w tym miejscu obwodu dławik silnikowy oraz filtry sinusoidalne. Ten pierwszy zmniejsza stromość narastania napięcia zasilającego silnik (dU/dt), co ma wpływ m.in. na żywotność tych maszyn i hałas przez nie emitowany, oraz ogranicza emisję zaburzeń promieniowanych przez kabel łączący falownik z silnikiem.

Dławik wyjściowy chroni również przemiennik częstotliwości przed skutkami zwarcia w silniku - przede wszystkim uszkodzeniem tranzystorów falownika. Filtry sinusoidalne z kolei to dolnoprzepustowe filtry LC, które tłumią w przebiegu napięcia wyjściowego falownika składowe wysokoczęstotliwościowe. Dzięki nim uzyskuje się prawie sinusoidalny przebieg napięcia zasilającego silnik.

Monika Jaworowska

W artykule korzystano z materiałów firm Emerson, Rockwell Automation, SEW-Eurodrive, Belden i Astat.