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%.

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.