Elektromagnetická kompatibilita při použití frekvenčních měničů

Elektromagnetická kompatibilita (EMC) Jedná se o schopnost elektrického nebo elektronického zařízení fungovat normálně v přítomnosti elektromagnetických polí. Zařízení zároveň nesmí rušit provoz jiných zařízení nebo systémů v blízkosti.

Směrnice Mezinárodní energetické komise (IEC) EMC stanovuje požadavky na odolnost a vyzařování pro elektrická zařízení používaná v Evropském hospodářském prostoru. Norma EMC EN 61800-3 pokrývá požadavky na frekvenční měniče.

Frekvenční měnič odebírá proud ze zdroje pouze v obdobích, kdy je okamžitá hodnota sinusovky napájecího zdroje vyšší než napětí stejnosměrného meziobvodu, tzn. v oblasti špičkového napětí zdroje. V důsledku toho proud neprotéká nepřetržitě, ale přerušovaně, s velmi vysokými špičkovými hodnotami.

Tento typ průběhu proudu zahrnuje, spolu se základními frekvenčními složkami, více či méně vysoký podíl harmonických složek (napájecích harmonických).

U třífázových frekvenčních měničů se skládají převážně z 5., 7., 11. a 13. harmonické. Tyto proudy způsobují zkreslení průběhu napájecího napětí, což ovlivňuje ostatní elektrické spotřebiče ve stejné síti.

Také střídavé proudy způsobují kolísání obvody pro korekci účiníku za určitých kritických podmínek, které mohou vést k přepětí.

Podmínky jsou kritické, když:

• minimálně 10 — 20 % výkonu instalace tvoří střídač a neřízený usměrňovač frekvenčního měniče;

• kompenzační obvod pracuje bez přerušení;

• nejnižší kompenzační stupeň vytváří rezonanční obvod spolu s napájecím transformátorem a rezonanční frekvencí blízkou 5 nebo 7 harmonickým 50 Hz, tzn. kolem 250 nebo 350 Hz.

V důsledku velmi rychlého spínání invertorových tranzistorů at pulzní šířková modulace jsou pozorovány akustické efekty, které mají negativní dopad na elektrickou síť a elektromotor.

Rychlé přepínání tranzistorových spínačů měniče má za následek širokopásmový rušivý signál, který ovlivňuje životní prostředí prostřednictvím motorových kabelů. Nepřetržité změny indukčnosti způsobené PWM a intervaly řídicího napětí DTC vedou k mírným změnám v délce plechů jádra motoru (magnetostrikce), což má za následek charakteristický modulovaný šum v bloku jádra statoru motoru.

Výstupní napětí frekvenčního měniče je vysokofrekvenční obdélníkový sled pulzů s různou polaritou a dobou trvání se stejnou amplitudou.Strmost čela napěťového impulsu je určena rychlostí spínání výkonových spínačů měniče a je odlišná při použití různých polovodičových součástek (např. IGBT tranzistory to je 0,05 — 0,1 μs).

Průchod pulzního signálu se strmým čelem způsobuje vlnové procesy v kabelu a vede k přepětí na svorkách motoru.

Délka kabelu motoru závisí na délce vysokofrekvenční vlny (čela pulsu), která se jím šíří. Kritická je délka kabelu rovna polovině vlnové délky, při které jsou na vinutí indukčního motoru přiváděny napěťové impulzy, které jsou blízko k dvojnásobku napětí meziobvodu.

V elektrických pohonech pro napěťovou třídu 0,4 kV může přepětí dosáhnout 1000 V. Tento problém se nazývá problémy s dlouhými kabely.

Blokové schéma frekvenčního měniče se vstupními a výstupními filtry

Pro splnění požadavků norem EMC se v pohonech s frekvenčním měničem používají síťové tlumivky a EMC filtry.

EMC filtry snižují akustický hluk vyzařovaný převodníkem a u většiny typů převodníků jsou továrně zabudovány do pouzdra sondy. Síťové tlumivky jsou navrženy tak, aby snižovaly vysoké zapínací proudy a tím i harmonické proudy ve vedení a zlepšovaly přepěťovou ochranu frekvenčního měniče.

Řešením problému „dlouhého kabelu“ je potřeba aplikovat technická řešení pro omezení přepětí a zapínacích proudů ve svorkách elektromotoru. Patří mezi ně instalace výstupních tlumivek, filtrů, sinusových filtrů.

Schéma zapojení frekvenčního měniče

Výstupní tlumivky slouží především k omezení proudových špiček, které vznikají v dlouhých motorových kabelech v důsledku přebíjení kabelových zásuvek a mírně snižují nárůst napětí na svorkách motoru, ale nesnižují napěťové špičky na svorkách motoru.

Lineární tlumivka

Filtry chrání izolaci motoru tím, že omezují nárůst napětí a snižují napěťové špičky na svorkách motoru na nekritické hodnoty, zatímco filtry snižují proudové špičky, ke kterým dochází při periodickém dobíjení kabelových nádob.

EMC filtry

Sinusové filtry poskytují téměř sinusové napětí na výstupu převodníku.

Sinusové filtry navíc snižují rychlost nárůstu napětí na svorkách motoru na určitou hodnotu, odstraňují napěťové špičky, snižují dodatečné ztráty v motoru a snižují hluk motoru.

U dlouhých motorových kabelů snižují sinusové filtry proudové špičky generované periodickým dobíjením kabelových nádob.

Kromě výše uvedených metod omezení přepětí ve svorkách elektromotoru je třeba poznamenat dva účinné způsoby řešení problému dlouhého kabelu, které nevyžadují velké investice a mohou být provedeny přímo uživatelem:

1. Instalace sériového LC — filtru na výstupu měniče kmitočtu pro snížení strmosti náběžné hrany výstupních napěťových impulsů měniče;

2.Instalace paralelního RC filtru přímo na svorky motoru, aby odpovídal vlnové impedanci kabelu.

Kromě výše uvedených způsobů zajištění elektromagnetické kompatibility je třeba upozornit na nutnost použití stíněných kabelů pro propojení frekvenčního měniče a elektromotoru. Pro účinné potlačení vyzařovaného vysokofrekvenčního rušení by vodivost stínění měla být alespoň 1/10 vodivosti fázového vodiče.

Jedním z parametrů, které umožňují vyhodnotit vodivost stínění, je jeho indukčnost, která by měla být malá a co nejméně záviset na frekvenci. Tyto požadavky lze snadno splnit pomocí měděného nebo hliníkového stínění (pancéřování).

Stínění kabelu spojujícího frekvenční měnič a motor musí být na obou koncích uzemněno.Čím lepší a těsnější je stínění, tím nižší je úroveň vyzařování a velikost proudu v ložiskách motoru.

Stínění kabelu motoru pro frekvenční měnič

Stínění se skládá ze soustředné vrstvy měděných drátů a stočeného měděného pásku.

Normálně je stínění řídicího kabelu uzemněno přímo k frekvenčnímu měniči. Druhý konec stínění je ponechán neuzemněný nebo připojený k zemi přes vysokonapěťový vysokofrekvenční kondenzátor o několika nF.

Pro připojení analogových signálů se doporučuje použít kroucenou dvojlinku se dvěma stíněními. Použití takového kabelu se také doporučuje pro připojení signálů z impulsního snímače rychlosti. Pro každý signál by měl být použit jeden kabel se samostatným stíněním.

Pro nízkonapěťové digitální signály se také doporučuje použít dvojitě stíněný kroucený dvoulinkový kabel, ale lze použít více kroucených dvoulinkových kabelů se společným stíněním.

Dvojitě stíněný kroucený párový kabel (a) a kabel s několika kroucenými páry a jedním společným stíněním (b)