Grzegorz BENYSEK*, Adam KEMPSKI* Tadeusz KUROWSKI
Transkrypt
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.