Minimalizowanie zaburzeń napięciowych przemienników

dr inż. JERZY SZYMAŃSKI
Politechnika Radomska
Wydział Transportu i Elektrotechniki
Zakład Napędu Elektrycznego i Elektroniki Przemysłowej
Minimalizowanie zaburzeń napięciowych
przemienników częstotliwości dużych mocy
w górniczych sieciach zasilania
Niskonapięciowe przemienniki częstotliwości są wykorzystywane w napędach
przenośników węglowych o regulowanej prędkości taśmy. Ich moce przekraczają
1 MW. Napędy z przemiennikami częstotliwości zasilanymi z sieci izolowanych,
typu IT, powodują występowanie prądów upływu doziemnego o dużych częstotliwościach w otoczeniu instalacji. Prądy te powodują niesinusoidalny kształt
napięć fazowych zasilających przemienniki częstotliwości. Negatywne skutki
prądów upływu doziemnego wzrastają w przemiennikach większych mocy z długimi kablami silnikowymi. Skuteczną metodą minimalizowania ubocznych skutków przepływu prądów upływu doziemnego jest stosowanie pojemnościowych
filtrów EMC (ang. ElectroMagnetic Capability) na wejściach zasilających przemienników częstotliwości tłumiących składową zgodną zakłóceń.
1. IMPULSOWE NAPIĘCIE ZASILANIA SILNIKÓW – NAPIĘCIE ZABURZEŃ WSPÓLNYCH
Typowa struktura układu zasilania siecią IT
zespołu silników sterowanych niskonapięciowymi
przemiennikami częstotliwości (UN do 1 kV),
w stacji napędowej przenośnika taśmowego
z uwzględnieniem doziemnych pojemności pasożytniczych jest przedstawiona na rys. l.
Doziemne pojemności pasożytnicze mają podstawowy wpływ na wartość napięcia między nieuzie-
Rys. 1. Układ zasilania z sieci IT wielosilnikowego napędu z przemiennikami częstotliwości
z zaznaczeniem głównych pasożytniczych pojemności doziemnych
Nr 7(461) LIPIEC 2009
9
Rys. 2. Falownik napięciowy z zaznaczonym punktem neutralnym do wyznaczania impulsowych napięć fazowych
i impulsowego napięcia zaburzeń wspólnych VCM
mionym punktem neutralnym uzwojeń wtórnych
transformatora Tr a potencjałem ziemi. Zmiany potencjału punktu neutralnego powodują deformowanie
przebiegów napięć fazowych zasilających przemienniki częstotliwości.
Napięcie wyjściowe falownika przetwarzającego
napięcie DC obwodu pośredniego przemiennika częstotliwości na trójfazowe napięcie przemienne ma
charakter impulsów o stałej amplitudzie i szerokości,
która jest wynikiem zastosowanej modulacji MSI.
Harmoniczna podstawowa tych napięć zmienia się
zwykle w zakresie 0,5 Hz – 100 Hz, a częstotliwość
impulsów, formujących harmoniczną podstawową,
osiąga wartości rzędu kilku kHz.
Przykład analizy harmonicznej napięć wyjściowych
przemiennika częstotliwości, dla naturalnej sinusoidalnej modulacji MSI [przebieg modulowany (nośny) – trójkąt symetryczny, przebiegi modulujące – 3
przebiegi sinusoidalne przesunięte o 120°] przedstawiają zależności (1,2) [1, 7].
Wyjściowe napięcia fazowe przemiennika częstotliwości względem punktu neutralnego można
zapisać w postaci nieskończonych szeregów harmonicznych (1). Punktem neutralnym jest tutaj
miejsce połączenia kondensatorów baterii obwodu
pośredniego przemiennika, w którym napięcie
wynosi 1/2UDC, rys. 2.
uiN t   VDC  VDC M cos 0 t   i  


4VDC

4VDC


mJ
1
m 1



m 1 n  
n0

   
 m M  sin m  n   cos mc t  n0t   i  
2
 2  
1    

J n  m M  sin m  n   cos 0t   i ,
m  2  
2
0
(1)
gdzie:
i = u, v, w, oraz θ = { dla fazy u = 0,
dla fazy v = 2/3π,
dla fazy v = -2/3π},
Jn – funkcja Bessela n-tego rzędu,
M – głębokość modulacji,
VDC – połowa napięcia obwodu DC (VDC=0,5 UDC),
m – rząd harmonicznej częstotliwości nośnej,
n
– rząd harmonicznej częstotliwości wyjściowej
falownika.
Impulsowe przebiegi napięć fazowych powodują,
że ich suma ma wartość chwilową różną od zera,
a przebieg napięcia VCM, (tzw. napięcie zaburzeń
wspólnych) można opisać zależnością (2)
VCM 
u Nu  u Nv  u Nw 4VDC

3
3

 2
 1  2 cos  n
 3



 mJ
m 1 n  
n0
1
n

   
 m M  sin m  n   
2
 2  

  cos m c t  m 0 t .

(2)
Przebieg czasowy napięcia zaburzeń wspólnych (3)
wyznaczono w oparciu o program symulacyjny [2],
gdyż zapis matematyczny tego napięcia nie daje się
praktycznie zinterpretować bez wykorzystania do tej
analizy narzędzi komputerowych, rys. 3.
Z przeprowadzonej analizy wynika, że wskutek
występowania impulsowego napięcia zasilania
silnika, między neutralnym punktem silnika, tj.
między dołączonym do punktu neutralnego falownika korpusem (obudową) silnika a połączeniem
uzwojeń stojana silnika klatkowego, zawsze występuje napięcie zaburzeń wspólnych VCM.
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
10
Rys. 3. Ilustracja impulsowego przebiegu napięcia zaburzeń wspólnych vCM dla napięcia wyjściowego
przemiennika o częstotliwości harmonicznej podstawowej: fh1=50 Hz i fh2=25 Hz.
Częstotliwość przełączania tranzystorów IGBT układu falownikowego przemiennika wynosi fc=3 kHz
Rys. 4. Doziemienie fazowego napięcia zasilania przemiennika przy załączeniu silnika A
z uszkodzoną izolacją między uzwojeniem fazowym stojana a uziemioną obudową silnika
2. PRACA PRZEMIENNIKA PODCZAS
DOZIEMIENIA FAZY NAPIĘCIA ZASILANIA
W przypadku włączonego filtra EMC obwodu
pośredniego istnieje niebezpieczeństwo uszkodzenia napięciowego przemiennika częstotliwości,
w warunkach doziemienia fazy napięcia zasilania,
rys. 4.
Ponieważ pojedyncze doziemienie fazowego napięcia zasilania w sieci IT nie stwarza zagrożenia
przeciwporażeniowego i nie wywołuje przepływu
doziemnego prądu zwarciowego, to dla zmniejszenia
strat gospodarczych często ważne jest, aby odłączenie zasilania wydzielonego zespołu maszyn nastąpiło
w sposób kontrolowany. Działania z wykrytym pojedynczym doziemieniem są uzależnione od wewnętrznych instrukcji zakładowych.
Doziemienie fazowego napięcia zasilania zwykle
występuje w przypadku, gdy z transformatora zasilającego przemiennik także zasilane są inne odbiorniki,
np. zwalniaki silników (rys. 4). Doziemienie to jest
szczególnie niebezpieczne dla przemiennika w czasie
braku jego obciążenia.
Nr 7(461) LIPIEC 2009
11
UDC [V] 700
UC3 [V]
700
UDC [V]
UC3 [V]
UC4 [V]
UC4 [V] 500
500
300
300
100
100
20m
60m
100m
140m
t [s]
a
20m
60m
100m
140m
t [s]
b
Rys. 5. Symulacja przebiegu napięcia UDC baterii kondensatorów przemiennika o pojemności 600 μF
przy wystąpieniu doziemienia fazowego napięcia zasilania i włączonym filtrze EMC obwodu pośredniego
(C3, C4 – rys. 2):
a – nieobciążony przemiennik częstotliwości,
b – obciążony przemiennik częstotliwości
Jeśli przemiennik jest nieobciążony, to doziemienie
fazowego napięcia zasilania może spowodować
wzrost napięcia na kondensatorach filtru EMC (C3
i C4) do wartości napięcia baterii kondensatorów
stopnia pośredniego przemiennika UDC. W konsekwencji może to doprowadzić do naładowania baterii
elektrolitycznych kondensatorów DC (C1, C2) do
wartości napięcia dwukrotnie wyższej niż w normalnych warunkach pracy przemiennika. W takiej sytuacji nastąpi przekroczenie dopuszczalnej wartości
napięcia dla stopnia pośredniego przemiennika
i uszkodzenie falownika lub baterii kondensatorów.
Przebieg napięcia na kondensatorach filtra, EMC
(C3 i C4) oraz na baterii kondensatorów stopnia pośredniego przemiennika podczas doziemienia fazowego napięcia zasilania przedstawia rys. 5. Powstaje
tu efekt pompowania energii przez kondensatory
filtra EMC do baterii kondensatorów. Szybkość narastania napięcia na baterii kondensatorów przemiennika zależy od stosunku pojemności kondensatorów
baterii do pojemności kondensatorów filtru EMC.
W przeprowadzonej symulacji napięcie baterii kondensatorów elektrolitycznych w obwodzie DC (pojemność 600 μF) nieobciążonego przemiennika, zasilanego
napięciem 3×500 V, osiągnęło 0,9 kV po 10 okresach
napięcia zasilania (C3=C4=15 μF). Na podstawie danych z symulacji można wyliczyć, że napięcie baterii
przemiennika małej mocy (CDC=600 μF, C3,4=0,15 μF)
osiągnie wartość 900 V po 20 sekundach.
Z obliczeń wynika, że przemienniki małej mocy są
narażone na szybki wzrost napięcia baterii kondensatorów obwodu DC ponad dozwoloną wartość przy
doziemieniu fazowego napięcia zasilania. W warunkach dużego prawdopodobieństwa występowania
doziemienia fazowego napięcia zasilania, niewłączanie filtra EMC obwodu pośredniego przemienników
częstotliwości małej mocy znajduje uzasadnienie [3].
Włączenie odpowiednio zwiększonego obciążenia
obwodu pośredniego przemiennika częstotliwości powoduje szybkie rozładowywanie nadmiarowej energii
dostarczanej do baterii kondensatorów z pojemności
filtra EMC. W efekcie wzrostu napięcia baterii podczas
doziemienia napięcia fazowego zasilania przemiennika
ulega dużemu spowolnieniu (rys. 5b).
Dla ograniczenia wpływu doziemień na zasilaniu
przemiennika można stosować różne metody rozładowywania baterii DC jeśli jej napięcie przekroczy
dopuszczalną wartość. W tym celu można wykorzystać przerywacz prądu przemiennika. W innym
przypadku można dołączyć na stałe odpowiednio
duży rezystor do zacisków wyjściowych prostownika itp.
Jeśli dostępna jest możliwość blokowania przepływu prądu przez wejściowy prostownik główny (np.
prostownik tyrystorowo-diodowy - 3f3d3t), to należy
zablokować przewodzenie prądu w prostowniku
powyżej określonej wartości napięcia w obwodzie
DC przy nieobciążonym przemienniku.
3. ZABURZENIA WSPÓLNE CM
(ANG. COMMON MODE) – ZABURZENIA
DOZIEMNE
Zaburzenia wspólne to zaburzenia powodujące odkształcenie fazowych napięć zasilania przemiennika
częstotliwości zasilanego z sieci separowanej od
ziemi (IT). Prądy zaburzeń wspólnych przepływają
dzięki fazowym doziemnym pojemnościom pasożytniczym i płyną w przewodzie ochronnym przemiennika częstotliwości. Pierwotnym źródłem tych zaburzeń są wyjściowe impulsowe napięcia fazowe przemiennika częstotliwości.
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
12
a
b
Rys. 6. Napięcia zasilania przemiennika częstotliwości zasilanego z sieci IT:
a – napięcie fazowe UL1 ma kształt trapezu i jego amplituda zależy od impulsów napięcia zaburzeń wspólnych,
b – przebiegi z rys. 2a w krótkim przedziale czasu – 5 ms
(widoczny jest wpływ napięcia zaburzeń wspólnych VCM, napięcie VCM
sumuje się z napięciami fazowymi transformatora E1-3 zasilającymi przemiennik częstotliwości),
UTR – napięcie punktu neutralnego transformatora przesunięte względem ziemi o napięcie zaburzeń wspólnych VCM,
UL1 – napięcie fazowe zasilania przemiennika częstotliwości, przy uwzględnieniu pojemności doziemnych kabla
silnikowego i silnika, powodujących przepływ prądów o dużych częstotliwościach w otoczeniu napędu,
E1 – nominalne napięcie fazowe zasilania napięciowego przemiennika częstotliwości
Rys. 6 przedstawia wpływ napięcia zaburzeń
wspólnych VCM na przebieg odkształcenia fazowego
napięcia zasilania przemiennika częstotliwości
w sieci IT. Odkształcenia napięcia fazowego zwiększają się wraz ze wzrostem doziemnych pojemności
pasożytniczych kabla silnikowego i silnika. Minimalizowanie oddziaływania napięcia zaburzeń wspólnych ma podstawowy wpływ na zapewnienie sinusoidalnego kształtu napięcia fazowego zasilania przemiennika częstotliwości. Stosowanie odpowiednich
filtrów EMC powoduje, że nie podwyższa się wartość skuteczna tego napięcia w stosunku do wartości
nominalnej i napięcie fazowe zasilania przemiennika
częstotliwości uzyskuje kształt sinusoidy.
Eliminowanie zaburzeń wywoływanych napięciami
zaburzeń wspólnych (CM) ma decydujący wpływ na
zwiększenie niezawodności napędu.
Zastosowanie filtru wyjściowego typu LC[CM] [4]
może mocno' zredukować negatywny wpływ napięcia
zaburzeń wspólnych VCM na pracę napędu zasilanego
siecią separowaną od ziemi IT. Napięcie zaburzeń
wspólnych VCM ma wówczas wartość bliską zeru, co
nie wywołuje występowania prądów pojemnościowych upływu doziemnego. Dzięki temu nie ma zjawisk powszechnie uważanych za szkodliwe dla silnika i sieci zasilania.
Doziemne pojemności pasożytnicze mocno wzrastają wraz z długością i przekrojem żył fazowych
kabla silnikowego, szczególnie dużymi pojemnościami doziemnymi cechują się kable silnikowe ekranowane lub zbrojone [5]. Producenci kabli przeznaczonych do współpracy z silnikiem indukcyjnym
i przemiennikiem częstotliwości podają jako dane
techniczne wartości pojemności między żyłami kabla
i ekranem (zbrojeniem). Wartość tej pojemności
zawiera się w granicach: od 11 nF (4×l,5 mm2) do
41 nF (4×95 mm2) na 100 m długości kabla. Skutki
występowania tych pojemności na przebiegi napięcia
fazowego zasilania przemiennika częstotliwości
z sieci IT ilustruje rys. 7.
Stosowanie pojemnościowych uziemionych filtrów
EMC powoduje konieczność stosowania izometru
monitorującego stan izolacji zasilania uwzględniającego pojemność między kablami sieciowymi i uziomem. Obecnie' są produkowane izometry współpracujące z siecią zasilania IT o pojemności o doziemnej
do 500 μF [6].
W napędach z przemiennikami częstotliwości dużych mocy zwykle nie stosuje się filtrów wyjściowych kształtujących napięcie zasilania silnika. Należy wówczas zastosować wejściowy pojemnościowy
filtr EMC, aby nie zwiększać wartości skutecznej
napięcia fazowego zasilania prostownika wejściowego przemiennika częstotliwości, rys. 8. Brak tego
filtru może być przyczyną zwiększonej awaryjności
obwodu mocy napięciowego przemiennika częstotliwości dużej mocy.
4. PODSUMOWANIE
W literaturze opisywane są różne negatywne zjawiska w otoczeniu napędu z przemiennikami częstotliwości, które nie są regulowane obowiązującymi normami [3, 5].
Typowe negatywne zjawiska powodowane zaburzeniami wspólnymi (CM) to:
Nr 7(461) LIPIEC 2009
 prądy dużych częstotliwości w przewodzie ochronnym PE silnika i przemiennika częstotliwości,
 prądy łożyskowe, a więc brak możliwości stosowania silników z nieizolowanymi łożyskami bez ryzyka ich uszkodzenia,
 limitowanie długości kabli silnikowych ze względu
na pasożytnicze pojemności między przewodami
i pojemności doziemne (uziemiony ekran lub zbrojenie kabla silnikowego),
 wprowadzanie zaburzeń do otoczenia (emisja elektromagnetyczna) przy stosowaniu nieekranowanych kabli między silnikiem i przemiennikiem częstotliwości,
 zwiększanie się napięcia fazowego zasilania przemiennika częstotliwości w separowanej od ziemi
sieci zasilania IT (rys. 6).
Zastosowanie wejściowego filtru EMC (rys. 8a) '
nie jest działaniem kosztownym i jest szczególnie
istotne w napędach większych mocy o długich ekranowanych kablach silnikowych. Duże pojemności
upływu doziemnego między żyłami kabla silnikowego i uziemionego ekranu oraz prądy doziemne silnika powodują znaczny wzrost napięcia fazowego zasilania przemiennika częstotliwości (rys. 2a), co może
skutkować dużą awaryjnością napędu. W sieciach
zasilania IT pomiar fazowego napięcia zasilania prze-
13
miennika częstotliwości ma podstawowe znaczenie
diagnostyczne.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Kępski A.: Elektromagnetyczne zaburzenia przewodzone
w układach napędów przekształtnikowych. Oficyna Wydawnicza
DZ, 2005.
www.ansoft.com/products/em/simplorer. 2008.
Rangarajan M. Tallam l, David W. Schlegel and Frederick L.
Hoadley: Failurę Mode for AC Drives on High Resistance
Grounded Systems, IEEE APEC 2006, Dallas, TX March 1923,2006.
Szymański J.: Stosowanie filtrów EMC w sieciach IT zasilających
napędy z napięciowymi przemiennikami częstotliwości. Miesięcznik Elektrolnfo, Nr 12,2008.
Trajdos M., Pastuszka R., Sosnowski I.: Znaczenie pojemności
kabla w układach zasilających silniki indukcyjne za pośrednictwem przekształtników częstotliwości. Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe, Nr74, KOMEL, 2006.
Dokumentacja techniczna przekaźnika kontroli izolacji IRDH375
firmy BENDER, 2008.
Adabi J., Zare F., Ledwich, Ghosh A.: Leakage Current and
Common Mode Voltage lssues in Modem AC Drive Systems,
Universities Power Engineering Conference, AUPEC 2007. Australasian, 2007.
Strom J. P., Koski M., Muittari H., Silventoinen P.: Analysis and
filtering of common mo de voltage and shaft voltages in adjustable speed AC drives. Power Electronics and Applications, Sept.,
2007.
Recenzent: prof. dr hab. inż. Bogdan Miedziński
VOLTAGE DISTURBANCES MINIMALIZATION IN MINING POWER SYSTEMS WITH BIG
POWER VOLTAGE FREQUENCY CONVERTERS
Low voltage frequency converters nowadays are enough chip and damage proof for lignite mining drives applications
like drives of conveyors with regulated bet's speed. Powers of voltage frequency converters are more then 1MW. High
frequency parasitic currents flows around such installations feed from isolated from ground power systems (IT mains).
These currents flows via parasitic grounding capacitances and as result phases voltage on voltage frequency converter's
power inputs are not sinusoidal, Negative effects increase as voltage frequency converter's power and motor's cable
length increase. Effective method reduction of phases voltage distortions is used on power inputs of voltage frequency
converters external EMC filters to dump common mode voltage.
МИНИМАЛИЗИРОВАНИЕ НАРУШЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ
БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ В ШАХТНЫХ СЕТЯХ ПИТАНИЯ
Преобразователи частоты низкого напряжения используются в приводах угольных конвейеров
с регулированной скоростью ленты. Их мощности превышают 1МВт. Приводы с преобразователями частоты,
заряжаемыми от изолированных цепей, типа IТ, вызывают появление токов утечки на землю при большой
частоте в области инсталляции. Выше перечисленные токи вызывают несинусоидальную форму фазных
напряжений, заряжающих преобразователи частоты. Отрицательные последствия токов утечки на землю растут
в преобразователях большой мощности с длинными двигательными кабелями. Эффективным методом
минимализирования побочных последствий тока утечки на землю является применение емкостных фильтров
EMC (анг. ElectroMagnetic Capability) на зарядных входах преобразователей частоты, демпфирующих прямую
составляющую помех.