Grzegorz BENYSEK*, Adam KEMPSKI* Tadeusz KUROWSKI

Nr 48
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Studia i Materiały
Nr 20
Nr 48
2000
napięcie niezrównoważenia, prąd niezrównoważenia,
filtr wejściowy, filtr wyjściowy
Grzegorz BENYSEK*, Adam KEMPSKI*
Tadeusz KUROWSKI*, Robert SMOLEŃSKI*
O CZYNNIKACH WŁAŚCIWEJ WSPÓŁPRACY MASZYN ELEKTRYCZNYCH
I PRZEKSZTAŁTNIKÓW STATYCZNYCH
Przedstawiono uwagi ogólne związane z EMC w napędzie elektrycznym oraz bardziej
szczegółowo wyniki badań własnych nad zjawiskiem napięcia niezrównoważenia charakterystycznego
dla falowników PWM współpracujących z silnikami asynchronicznymi połączonymi w gwiazdę.
Napięcie to wywołuje prąd niezrównoważenia. Ilustrowane jest to oscylogramami. Przedstawia się też
oscylogramy ilustrujące zjawiska falowe w przewodzie między silnikiem i przekształtnikiem.
1. UWAGI WSTĘPNE
Maszyny elektryczne (przetworniki energii) mają zastosowanie jako:
• generatory energii elektrycznej przede wszystkim w energetyce zawodowej
(turbogeneratory dużych i bardzo dużych mocy) oraz źródłach rezerwowego zasilania;
• silniki prądu stałego i przemiennego o mocach „ułamkowych” do mocy rzędu MW
jako źródła prędkości lub momentu w zastosowaniach komunalnych i przemysłowych.
Energoelektronika (przekształtniki statyczne) i związana z nimi mikroelektronika wraz
z informatyką mają zastosowanie przede wszystkim w układach sterujących „strumieniem
energii”, szczególnie w układach napędowych, jako odbiornikach o największej
sumarycznej mocy zapotrzebowanej od energetyki zawodowej.
Różnorodność rodzajów napędu (otwarty, zamknięty, prądu stałego, prądu
przemiennego, indywidualny, grupowy, o sterowaniu skalarnym, o sterowaniu wektorowym
itp.) implikuje różnorodne opracowania naukowo-techniczne i jest źródłem postępu
technicznego znajdującego swe odzwierciedlenie w „katalogowych” produktach.
Są jednak wspólne wymagania, jakie stawiane są współczesnym układom
napędowym. Są nimi:
• energooszczędność;
• pewność zasilania;
• uniwersalność układu sterowania (niezależność od mocy i rodzaju silnika);
___________
* Instytut Elektrotechniki Przemysłowej Politechniki Zielonogórskiej, ul. Podgórna 50, Zielona Góra.
327
• możliwość pracy automatycznej z wymaganą dynamiką, a także pracy grupowej
w układach sekwencyjnych i kombinacyjnych;
• duży zakres regulacji prędkości i momentu;
• mały hałas magnetyczny i mechaniczny;
• możliwość pracy czterokwadrantowej i dwustrefowej;
• małe zakłócenia elektromagnetyczne;
• możliwość zakupu na podstawie katalogu danej firmy.
Na szczególną uwagę zasługują zagadnienia energooszczędności oraz zagadnienia
elektromagnetycznego dopasowania (EMC) przekształtników. W zagadnieniu
energooszczędności chodzi przy tym o dwa aspekty:
• energooszczędność podczas rozruchu – możliwa z wykorzystaniem układów
miękkiego rozruchu (soft-start);
• energooszczędność podczas eksploatacji układu w stanie ustalonym, kiedy ten sam
efekt
(napędowy)
można
uzyskać
dla
różnej
„kombinacji”
parametrów
elektromagnetycznych w silniku.
Przekształtniki statyczne, sterowane często cyfrowo z algorytmem o dużej zmienności
parametrów sterujących, wypełniają postulat energooszczędności w stopniu dostatecznie
satysfakcjonującym eksploatatora. Jednak ich immanentną cechą jest wytwarzanie zakłóceń
elektromagnetycznych o naturze harmonicznej, zależnej od topologii układu cyklicznie
przełączalnego oraz od pożądanej częstotliwości wyjściowej napięcia/prądu przekształtnika
(jeśli jest to przekształtnik AC/AC lub DC/AC).
Współczesne metody analizy/syntezy układów napędowych otwartych i/lub
zamkniętych z wykorzystaniem profesjonalnych programów symulacyjnych pozwalają na
dość wszechstronną ocenę ze względu na:
• charakterystyki ruchowe w stanie ustalonym (mechaniczne i elektromechaniczne);
• przebiegi przejściowe – w tym ocenę i „kształtowanie” jakości sterowania układów
zamkniętych;
• zakłócenia elektromagnetyczne konduktywne (rozchodzące się po przewodach),
które poza ich elektrycznym oddziaływaniem (przepięcia, przetężenia) są źródłami zakłóceń
przenoszonych przez pola: elektryczne, magnetyczne – ogólnie elektromagnetyczne.
Analizowany jest przy tym model układu elektromechanicznego, w którym
przetwornik energii (silnik) modelowany jest jako odbiornik o charakterze RLE lub model
o rzeczywistych (skupionych) parametrach elektromagnetycznych. Uzyskane wyniki może
uznać za ostatecznie przyjęte podczas syntezy tylko ten, kto zna skutki działania zakłóceń
elektromagnetycznych w maszynach elektrycznych o swoich, specyficznych,
właściwościach elektrycznych i magnetycznych.
Do zjawisk zakłóceniowych zalicza się też te, które wynikają z powstania napięcia
niezrównoważenia (w punkcie neutralnym silnika) względem „ziemi” i powstawania tzw.
prądu zakłóceń wspólnych falownika. Te wysokoczęstotliwościowe zakłócenia (od
częstotliwości modulacji oraz od zboczy impulsów) wytwarzają pojemnościowe prądy o
dużych wartościach, które zamykają się przez pojemności między:
• uzwojeniami stojana i jarzmem (korpusem);
• uzwojeniami stojana i wirnikiem;
• wirnikiem i korpusem (przez łożyska).
328
Tak więc zarówno zakłócenia konduktywne, jak i od napięcia niezrównoważenia
– mające duże i bardzo duże częstotliwości (rzędu kilo- i megaherców) – mają destrukcyjny
wpływ na izolację uzwojeń maszyn oraz zwiększają straty w żelazie (stojana). Ograniczenie
tych zakłóceń odbywa się przez instalowanie filtrów (na wejściu i wyjściu przekształtników).
Podczas współpracy przekształtnik–silnik ważnym czynnikiem są również zjawiska
falowe w przewodzie (kablu) zasilającym. Jest to szczególnie zauważalne w napędzie
grupowym z różnej długości przewodami zasilającymi poszczególne silniki.
Dlatego też coraz „nowocześniejszą” konstrukcją są silniki zespolone, w których
przekształtnik i silnik stanowią wspólny „katalogowy” wyrób.
Analiza układu elektromechanicznego z przewidzianymi w nim filtrami staje się zatem
komplementarna w tym rozumieniu, że dobór struktury i parametrów filtru
dolnoprzepustowego wpływa w małym stopniu na podstawowe właściwości układu, a
bardzo na jego właściwości środowiskowe. Na drodze symulacji uzyskuje się na ogół
potwierdzane w rzeczywistości przebiegi elektromechaniczne bez uwzględniania wpływu
napięcia niezrównoważenia. Wpływ napięcia niezrównoważenia bada się na modelach
rzeczywistych, ponieważ zbyt niedoskonałe są modele matematyczne.
W układach napędowych stosuje się filtry, które:
• nie są filtrami dopasowanymi do obciążenia rezystancją (dla których podaje się
katalogową charakterystykę częstotliwościową),
• reagować muszą na zmienne spectrum harmonicznych zakłóceń prądowych
i napięciowych podczas rozruchu i pracy ze zmiennym obciążeniem silnika,
• powinny uniezależnić pracę napędu od odległości silnika od przekształtnika;
zagadnienie to jest charakterystyczne dla filtrów wyjściowych i ograniczane jest przez
konstrukcję zespoloną silnik–przekształtnik.
Dlatego też właściwe jest jednoczesne projektowanie całego układu zasilania z filtrami
wejściowymi i wyjściowymi, i danym rodzajem przekształtnika. Umożliwia to
wykorzystanie technik symulacyjnych i metody prób i błędów do wyznaczenia konfiguracji
oraz parametrów filtrów (symetrycznych i niesymetrycznych) na wejściu i wyjściu
przekształtnika
– spełniających
Projektowanie
normy
dolnoprzepustowych
EMC.
filtrów przemysłowych (50 Hz) jest przy tym
charakterystyczne przez to, że konieczne są znaczne wartości indukcyjności i pojemności.
Przy ograniczanych względami łączeniowymi wartościach pojemności w gałęzi
poprzecznej, konieczne jest instalowanie znacznych indukcyjności. To jednocześnie
skutkuje stratą napięcia dla podstawowej harmonicznej (nie filtrowanej).
Tak więc właściwą współczesna metodą projektową jest określenie struktury i
parametrów filtrów dla każdego z układów, a nie korzystanie z katalogu wyrobów i
„przybliżone” zestawienie filtrów. Jako przykład takiej metodyki przytoczyć można
schemat zintegrowanego filtru wejściowego [1], w którym wykorzystano efekt kompensacji
biernej (dławiki magnetycznie sprzężone).
329
2. NAPIĘCIE NIEZRÓWNOWAŻENIA W UKŁADZIE NAPĘDOWYM
Z FALOWNIKIEM NAPIĘCIA Z MODULACJĄ PWM
Krótkie czasy włączania i wyłączania łączników półprzewodnikowych stosowanych
w falownikach z modulacją PWM pozwalają na kształtowanie niemal prostokątnych napięć
wyjściowych. Sposób kształtowania napięcia wyjściowego powoduje, że suma napięć
fazowych nie jest równa zeru. Konsekwencją zastosowania takich algorytmów modulacji
jest powstawanie napięcia niezrównoważenia w punkcie gwiazdowym silnika. Napięcie
niezrównoważenia ma kształt funkcji schodkowej. Amplituda równa jest połowie napięcia
obwodu pośredniczącego prądu stałego. Skokowe zmiany napięcia niezrównoważenia
powodują przepływ prądów zakłóceń wspólnych przez pojemności układu napędowego.
Prądy te mają kształt impulsów, których częstotliwość oscylacji i tłumienie zależą od
rozłożonych parametrów RLC układu napędowego [3–5].
Badania wpływu parametrów układu napędowego na powstawanie napięcia
niezrównoważenia i przewodzonych zakłóceń wspólnych przeprowadzono w układzie
napędowym przedstawionym na rysunku 1. Izolowany układ napędowy badano, stosując
różne konfiguracje uziemień. Prowadzono badania trzech silników klatkowych i dwóch
falowników. W pracy przedstawiono wybrane reprezentatywne wyniki pomiarów.
FALOWNIK
SILNIK
Uλ
OBC.
IE
IKE
IΣ
RS 232
CPU
IWE
Uλ, IE, IWE, IΣ
DIGITAL OSCILLOSCOPE
Rys. 1. Schemat układu pomiarowego
Fig. 1. Configuration of the testing stand
3. WYNIKI POMIARÓW W UKŁADZIE Z KRÓTKIM KABLEM SILNIKOWYM
Na rysunku 2 przedstawiono wyniki pomiarów w układzie napędowym z silnikiem
o mocy 4 kW. Oscylogram przedstawia wyjściowe napięcie fazowe falownika oraz napięcie
zakłóceń wspólnych w punkcie gwiazdowym. Częstotliwość impulsowania falownika
wynosiła 2 kHz.
330
UA
Uλ
Rys. 2. Przebiegi napięć UA – wyjściowe napięcie fazowe falownika, Uλ – napięcie w punkcie neutralnym
silnika, częstotliwość impulsowania 2 kHz
Fig. 2. Phase voltage UA, and common mode voltage in stator windings neutral point Uλ;
carier frequency 2 kHz
Każde przełączenie wywołuje oscylację w napięciu fazowym falownika oraz w
napięciu punktu neutralnego. Częstotliwość oscylacji zależy od rozłożonych parametrów
RLC układu napędowego i jest większa w napięciu fazowym niż w punkcie gwiazdowym.
Zwiększenie częstotliwości impulsowania (16 kHz) w tym samym układzie
napędowym uniemożliwia mimo dużego tłumienia wygaśnięcie oscylacji przed następnym
przełączeniem (rys. 3). Kształt napięcia zakłóceń wspólnych w punkcie neutralnym silnika
zależy więc również od częstotliwości impulsowania.
Uλ
UA
Rys. 3. Przebiegi napięć UA – wyjściowe napięcie fazowe falownika, Uλ – napięcie w punkcie
neutralnym silnika, częstotliwość impulsowania 16 kHz
Fig. 3. Phase voltage UA, and common mode voltage at stator windings neutral point Uλ of motor
carier frequency f = 16 kHz
Wpływ czasu narostu napięcia wyjściowego falownika na wartości prądu zakłóceń
wspólnych obrazuje rys. 4. Kształt i amplituda tego prądu zależą od wartości du/dt. Dla
krótkich czasów narostów wartość maksymalna prądu wynosiła 1,2 A. Mniejsza stromość
zbocza wywołuje znacznie mniejszy prąd zakłóceń wspólnych, co świadczy o jego
pojemnościowym charakterze.
Na rysunku 5 przedstawiono rozpływ prądów zakłóceń wspólnych płynących przez
uziemienia korpusu i wału. Prąd uziomu korpusu jest większy niż prąd uziemienia wału, co
331
wiąże się z większymi wartościami pojemności uzwojeń stojana do korpusu niż pojemności
między uzwojeniami stojana a wirnikiem. Pomimo uziemienia w chwili przełączenia na
wale pojawia się oscylujące napięcie.
IE
UM
a)
UM
IE
b)
Rys. 4. Przebiegi napięć i prądów: UM – napięcie fazowe falownika, IE – prąd zakłóceń wspólnych
płynący w uziemieniu korpusu silnika
Fig. 4. Common mode currents waveforms expanded common mode current IE, line voltage UM
IKE
IWE
UWE
Rys. 5. Prądy w uziomach silnika: IKE – prąd uziemienia korpusu, IWE – prąd uziemienia wału i napięcie,
UWE – napięcie na wale
Fig. 5. Common mode currents waveforms expanded common mode current IE, line voltage UM
W silniku o mocy 370 W, gdy nie jest uziemiony wał, napięcie na nim osiągało
znacznie większe wartości; przekraczające 30 V w momentach przełączeń, a poza
momentami przełączeń na wale utrzymywało się napięcie przekraczające 10 V (rys. 6). Jest
332
to potencjalne zagrożenie dla łożysk, które mogą być uszkadzane poprzez przepływ dużych
wartości prądów mających charakter wyładowań elektrostatycznych ESD [6–9].
Uλ
UWE
Rys. 6. Przebiegi napięć, Uλ – napięcie w punkcie neutralnym silnika, UWE – napięcie na wale
Fig. 6. Common mode voltage in stator windings neutral point Uλ, shaft voltage UWE
4. ZJAWISKA FALOWE W UKŁADACH NAPĘDOWYCH
Z FALOWNIKAMI NAPIĘCIA Z MODULACJĄ PWM
Duża częstotliwość narostu napięcia wyjściowego falownika sprawia, że już w kablu
długości 7,5 m obserwujemy zjawiska falowe (rys.7). Wystąpienie bardzo stromego zbocza
sprawia, że napięcie międzyfazowe na zaciskach silnika „w piku” osiągało wartość ponad 700
V.
200V/div
UM
UFC
0V
200V/div
UM
UFC
0V
Rys. 7. Napięcia międzyfazowe: UFC – napięcie na wyjściu falownika, UM – napięcie na zaciskach silnika.
Długość kabla 7,5 m
Fig. 7. Line voltage pulses on the inverter output UFC and on the motor connection UM cable lenght 7.5 m
333
Zastosowanie kabla silnikowego o długości 44 m (rys. 8.) wywołało wzrost napięcia
na zaciskach silnika do wartości 1000 V. W takim przypadku wykorzystanie dużej
częstotliwości impulsowania silnika może prowadzić do występowania niegasnących
oscylacji napięcia, co może spowodować zniszczenie izolacji silnika.
200V/div
UM
UFC
0V
Rys. 8. Napięcia międzyfazowe: UFC – napięcie na wyjściu falownika, UM – napięcie na zaciskach silnika.
Długość kabla 44 m
Fig. 8. Line voltage pulses on the inverter output UFC and on the motor connection UM cable lenght: 44 m
Na rysunku 9 przedstawiono wpływ szybkości narostu fali napięciowej na amplitudę
fali odbitej. Zastosowanie łączników półprzewodnikowych o dużej szybkości przełączania
sprawiło, że efekty falowe są znaczące w kablach o stosunkowo małej długości.
200V/div
UM
UFC
0V
Rys. 9. Napięcia międzyfazowe: UFC – napięcie na wyjściu falownika, UM – napięcie na zaciskach silnika.
Długość kabla 10,6 m
Fig. 9. Line voltage pulses on the inverter output UFC and on the motor connection UM cable lenght: 10.6 m
334
5. PODSUMOWANIE
Na tle ogólnym zagadnienia dopasowania elektromagnetycznego przekształtników
statycznych MSI w napędzie elektrycznym przedstawiono zarys problemu występowania
napięcia niezrównoważenia oraz przepływu prądu wspólnego wywołanego dużą częstotliwością narostu napięć przy komutacji przekształtnika (prądu pojemnościowego).
Przepływ prądów niezrównoważenia (wspólnych) może być przyczyną błędnego działania zabezpieczeń różnicowo-prądowych i szybszego starzenia izolacji.
Przy długich kablach silnikowych mogą też występować zjawiska falowe – bardzo
znacznie zwiększające napięcie na zaciskach silnika, mogą one być przyczyną zniszczenia
izolacji. Wzrost częstotliwości impulsowania zwiększa to zagrożenie.
LITERATURA
[1] MORRISON D., Filtry do napędów silnikowych – projektowanie dla specyficznych wymagań odbiorcy,
Napędy i sterowanie, nr 8, 1999, s. 28–30.
[2] ATINEN M., Prądy łożyskowe w nowoczesnych systemach napędowych, Napędy i sterowanie, nr 1
styczeń 2000, s. 6–10.
[3] VALOUCH V., SKRAMLIK J., DOLEŻEL I., Parasitic Phenomena in Systems Comprising Transistor
PWM Inverter-Long Cable-Induction Motor and Ways of Their Suppressing, PEMC’98 – Prague Conf.
Proc., s. 6–25–6–30.
[4] von JOUANNE A., HAORAN ZHANG, WALLACE A.K., An Evaluation Techniques for Bearing Currents, EMI and Overvoltages in ASD Applications, IEEE Trans. on Ind. Appl., vol. 34, No. 2, September/October 1997, s. 1113–1121.
[5] KEMPSKI A., Metody eliminacji prądów łożyskowych w silnikach zasilanych z falowników PWM
(in preparation).
[6] von JOUANNE A., ENJETI P.N., Design Consideration for an Inverter Output Filter to Mitigate the
Effects of Long Motor Leads in ASD Applications, IEEE Trans. on Ind. Appl., vol. 33, No. 5, September/October 1997, s. 1138–1145.
[7] KEMPSKI A., STRZELECKI R., Metody eliminacji napięcia zakłóceń wspólnych w układach
napędowych zasilanych z falowników PWM. Elektryka-EMC ’99, s. 85–94, Łódź September 1999.
[8] STRZELECKI R., KEMPSKI A., SMOLEŃSKI R., KLYTTA M., Conducted EMC effects on the motorside of VSI-FED induction motor drives. PDC ’99, s. 38–52.
FACTORS OF INDUCTION MOTORS AND STATIC CONVERTERS RIGHT WORKS
One has presented conducted EMC problems in new PWM inverter drives. We have shown results of
our investigations. We have presented common mode voltage waveforms produced in motor windings neutral
point. The steps of common mode voltage force current to flow trough parasitic capacitive. In the paper we
have also presented disturbance effects in long cables between inverter and motor.