Falowniki. Michał Świerżewski

Transkrypt

1 Michał Świerżewski Falowniki 1. Wprowadzenie W nowoczesnych układach napędowych są wykorzystywane przekształtniki energoelektroniczne, czyli falowniki przemysłowe stosowane w elektronicznych przetwornicach częstotliwości. Urządzenie składające się z bloków funkcjonalnych prostownika, obwodu pośredniczącego z kondensatorem (w falownikach napięcia) lub dławika (w falownikach prądu) i falownika nazywane jest elektroniczną przetwornicą częstotliwości. Służą one głównie do zmieniania prędkości obrotowej klatkowych silników indukcyjnych i są jej najwydatniejszym sposobem regulacji. Znajdują również zastosowanie w urządzeniach domowych, np. do regulacji prędkości obrotowej wirników pralek. Coraz większe zaawansowanie technologiczne przemienników napięciowych powoduje rozszerzenie obszarów ich zastosowań i obniżenie kosztów produkcji. Falownik (ang. inverter) jest to urządzenie energoelektroniczne zamieniające energię elektryczną prądu stałego, którą jest zasilane z prostownika lub z akumulatorów, na energię prądu przemiennego o regulowanej częstotliwości wyjściowej. W jednostkach, w których stosuje się modulację szerokości impulsu PWM (ang. Pulse Width Modulation) jednocześnie ze zmianą częstotliwości można regulować wartość skuteczną napięcia wyjściowego. W minionych latach używane były falowniki tyrystorowe. Obecnie oferowane są falowniki sterowane złożonymi procesorami sygnałowymi, kontrolującymi szereg parametrów zasilanego silnika. W większości przypadków konstrukcje falowników oparte są o tranzystory IGBT, rzadziej w przypadku niższego napięcia zasilania, na tranzystorach polowych. Stosowanie techniki mikroprocesorowej do ich sterowania powoduje konieczność oddzielenia galwanicznego układu sterującego od układu mocy. Takie rozwiązanie umożliwiło zastosowanie tranzystorów IGBT. Układy sterowania wysyłają i odbierają sygnały ze wszystkich podukładów przemiennika i nadzorują ich pracę. Szybkość działania systemu sterowania mikroprocesorowego zapewnia falownikowi znaczną odporność na przeciążenia i zwarcia. Wykorzystywanie mikroprocesorów umożliwia współpracę przemienników częstotliwości z innymi urządzeniami, w których skład wchodzą mikroprocesory, np. z komputerami, urządzeniami elektromedycznymi, sterownikami lub z innymi przemiennikami. W zależności od sposobu zasilania wyróżnia się falowniki: falowniki napięcia zasilane ze źródła napięciowego na wejściu falownika znajduje się kondensator lub bateria kondensatorów o dużej pojemności, 26

2 falowniki prądu zasilane ze źródła prądowego na wejściu falownika znajduje się dławik. Niezależnie od rodzaju wejścia falowniki zasilane są zawsze ze źródła prądu stałego. W praktyce rozróżnia się trzy rodzaje falowników: falowniki zasilane z jednej fazy 230 V z wyjściem jednofazowym 230 V, falowniki zasilane z jednej fazy 230 V z wyjściem trójfazowym V, umożliwiają one pracę silników indukcyjnych trójfazowych przy zachowaniu parametrów znamionowych na ogół o mocach do 3 kw i falowniki zasilane z trzech faz z wyjściem trójfazowym. Charakterystyki wyjścia falownika mogą być : liniowe U/f = const. przeznaczone do zasilania taśmociągów, podnośników itp. kwadratowe U/f 2 = const. przeznaczone do zasilania wentylatorów, pomp odśrodkowych itp. Falowniki zasilane są zazwyczaj z sieci prądu przemiennego przez niesterowane prostowniki diodowe, przez sterowane prostowniki tyrystorowe i niekiedy przez prostowniki tranzystorowe. Oferowane przetwornice częstotliwości umożliwiają płynną regulację częstotliwości napięcia wyjściowego, najczęściej w zakresie 0,01 Hz do 400 Hz, za pomocą potencjometru lub przycisków na czołowej ścianie urządzenia oraz zdalnego sterowania za pomocą sygnału napięciowego lub prądowego na listwie zaciskowej. Dzięki takiemu rozwiązaniu mogą one być opcjonalnie wyposażane w zewnętrzny panel sterujący. Charakterystyka sterowania napięciem/częstotliwością (U/f )może być stałomomentowa, redukowana lub sterowana wektorowo. W niektórych typach przetwornic może być opcjonalnie oferowane sterowanie wektorowe ze sprzężeniem zwrotnym za pomocą enkodera umieszczonego na wale zasilanego silnika. Możliwa jest również opcja regulowanej zmiany czasu zwalniania lub przyspieszania, zazwyczaj w zakresie 0,1 s do 3000 s, możliwe jest też nastawienie stałych czasów zwalniania i przyspieszania. W zależności od modelu może to być charakterystyka liniowa lub po wybranej krzywej. Komunikację z przemiennikiem umożliwia zainstalowany ekran alfanumeryczny oraz interfejsy szeregowe RS-485/RS-232/Can. Możliwe jest również programowanie przemienników za pomocą komputera PC. Silniki zasilane z falowników nabierają nowych cech użytkowych. Ich charakterystyki mechaniczne są kształtowane przez układ sterowania falownika w granicach dopuszczalnych wartości napięcia, prądu, mocy, momentu mechanicznego i maksymalnej prędkości obrotowej. Właściwości dynamiczne napędów zależą od sposobu kształtowania zjawisk elektromagnetycznych w silniku, zwłaszcza od sterowania jego momentem elektromagnetycznym. Falowniki z modulacją szerokości impulsu i ze sterowaniem wektorowym regulują strumień magnetyczny w silniku i jego moment mechaniczny na wale. Technika DTC bezpośredniego sterowania momentem w napędach falownikowych Nr

3 zwiększyła m.in. dynamikę napędu, dokładność regulacji momentu oraz prędkości również w układach bez sprzężeń zwrotnych od wału silnika. Dzięki układowi DTC możliwe jest optymalne wykorzystanie możliwości silnika. 2. Funkcje dodatkowe Wiele z oferowanych przetwornic częstotliwości, poza funkcją podstawową regulacji prędkości obrotowej silnika i jego parametrów użytkowych ma dodatkowe funkcje, np. samonastawiania. Funkcja ta polega na samoczynnej rejestracji w pamięci urządzenia danych charakterystycznych silnika, które wykorzystywane są w późniejszym algorytmie sterowania wektorowego bezczujnikowego lub sterowania wektorowego ze sprzężeniem zwrotnym. W przypadku zasilania silnika elektrycznego o nieznanych parametrach elektrycznych z falownika ze sterowaniem wektorowym bezczujnikowym lub sterowaniem wektorowym ze sprzężeniem zwrotnym należy te parametry pomierzyć i wprowadzić do pamięci falownika, korzystając z funkcji samonastawiania falownika. System samonastawiania falownika poczyni odpowiednie korekty stałych silnika związane z podwyższoną temperaturą uzwojeń i parametrami w czasie stabilnej jego pracy. Inną propozycją jest sterowanie wektorowe bezczujnikowe. Metoda ta polega na określeniu obrotów silnika i jego momentu na podstawie wyjściowego prądu i napięcia falownika oraz stałych elektrycznych silnika. Funkcja ta umożliwia uzyskanie wysokiego momentu silnika przy niewielkiej częstotliwości napięcia zasilającego. 3. Kształtowanie przebiegów napięciowych W falownikach napięcia stosuje się następujące sposoby kształtowania przebiegów napięciowych: metodę modulacji szerokością impulsów (PWM), metodę DTC modulacji przy bezpośrednim sterowaniu momentem, metodę VVC modulacji wektorem napięcia. Metody DTC i VVC są nowoczesnymi metodami kształtowania przebiegów napięcia wyjściowego falownika. Zapewniają one silnikowi pełne znamionowe napięcie zasilania przy minimalnej zawartości wyższych harmonicznych. Przy użyciu układów niskiego napięcia z radiatorami chłodzonymi powietrzem mogą być osiągane moce sterowanych silników przekraczające 1 MW. Pośrednie przemienniki częstotliwości należą obecnie do najczęściej stosowanych układów przekształtnikowych do zasilania silników indukcyjnych napięciem przemiennym z regulowaną amplitudą i częstotliwością. Sterowane częstotliwościowo napędy prądu przemiennego są na ogół niezawodne i mogą być wykorzystywane w różnych procesach przemysłowych nawet w trudnych warunkach środowiskowych. 28

4 W napędach ze sterowaniem częstotliwościowym silników zwartych najczęściej stosuje się przekształtniki pośrednie częstotliwości z regulacją: napięcia w obwodzie pośrednim prądu stałego i falownika napięcia, napięcia w obwodzie pośrednim i falownika prądu oraz z nieregulowanym napięciem w obwodzie pośrednim (z prostownikiem niesterowanym) i regulacją napięcia w falowniku napięcia metodą regulacji szerokości impulsu (PWM). 4. Zabezpieczenia przemienników częstotliwości i silników indukcyjnych Budowa układu napędowego polega na doborze i zestawieniu poszczególnych jego podzespołów: przekształtnika z układem sterowania i regulacji, silnika, aparatury łączeniowej i zabezpieczającej oraz oprzewodowania. Jednym z podstawowych warunków prawidłowej i bezpiecznej pracy układów napędowych są zabezpieczenia przekształtników i silników. Silniki zasilane z przekształtników częstotliwości są zabezpieczane na ogólnych zasadach zabezpieczeń głównych obwodów zasilających z uwzględnieniem narażeń wynikających ze stosowania przemienników częstotliwości. Układy energoelektroniczne powinny być wyposażone w zabezpieczenia reagujące na zagrożenia spowodowane ich uszkodzeniami lub niebezpiecznymi warunkami pracy. Zabezpieczenia te powinny: zapewnić bezpieczeństwo pracy osób obsługi i z otoczenia, ograniczyć szkody spowodowane uszkodzeniami, zapewnić ochronę silnika zasilanego z przekształtnika, zapewnić ochronę mechanizmów maszyny napędzanej. Przekształtniki mają zazwyczaj wbudowane zabezpieczenia obwodu wyjściowego co najmniej przed skutkami zwarć międzyfazowych i doziemnych. Przy doborze zabezpieczeń obwodu zasilającego pośredni przemiennik częstotliwości trzeba przede wszystkim uwzględnić prąd obciążenia przekształtnika. Jeżeli w obwodzie tym przewidziany jest łącznik wyłącznik, to jego prąd znamionowy powinien być dobrany do prądu znamionowego przekształtnika częstotliwości wraz z filtrami przeciwzakłóceniowymi. Konieczne jest zapewnienie koordynacji zabezpieczeń przeciążeniowych (np. wyłącznika nadprądowego) z zabezpieczeniami zwarciowymi. Zabezpieczeniami zwarciowymi są zazwyczaj bezpieczniki topikowe lub rozłączniki bezpiecznikowe. Jeżeli na wejściu przemiennika nie ma indywidualnych zabezpieczeń przy zaworach mostka prostowniczego, to konieczne jest zainstalowanie w obwodzie zasilającym super szybkich bezpieczników ar lub gr. Filtr przeciwzakłóceniowy zainstalowany w obwodzie zasilającym przemiennika składa się z szeregowych dławików sieciowych również pełniących rolę dławików komutacyjnych i równoległych kondensatorów. Dławiki sieciowe ograniczają współczynnik szczytu prądu (jest to stosunek wartości szczytowej prądu do jego wartości skutecznej) i odkształcenia prądu pobieranego z sieci, ponadto zmniej- Nr

5 szają komutacyjne szczyty prądu i komutacyjne załamania napięcia. Kondensatory równoległe z dławikami bocznikują prądy zakłóceniowe zwłaszcza o wyższych częstotliwościach. Prąd upływowy płynący przez filtr sieciowy do przewodu ochronnego PE w urządzeniach I klasy ochronności jest jedną ze składowych prądu w przewodzie ochronnym. Źródłem pozostałych składowych jest obwód wyjściowy przemiennika. W pośrednich przemiennikach częstotliwości spotyka się mostki prostownicze jedno- lub trójfazowe diodowe lub tyrystorowe. Z punktu widzenia falownika napięcia prostownik jest źródłem zasilania o bardzo małej impedancji wewnętrznej. Prąd graniczny zaworów powinien być dostosowany do prądu załączeniowego przemiennika o wartości zależnej od pojemności baterii kondensatorów oraz indukcyjności dławika obwodu pośredniczącego. Zastosowanie w prostowniku tyrystorów ze sterowanym wpółczynnikiem przewodzenia lub z tranzystora IGBT jako rozłącznika w obwodzie pośredniczącym umożliwia dowolną zmianę prądu załączeniowego podobnie jak w układach łagodnego rozruchu silników (soft startów). We współczesnych konstrukcjach przemienników częstotliwości o zwiększonej niezawodności zaworów rezygnuje się z indywidualnych zabezpieczeń poszczególnych gałęzi zaworów na rzecz kompletu bezpieczników w obwodzie zasilającym przemiennika. Obwód pośredniczący prądu stałego złożony jest z kondensatorów o dużej pojemności i dławika. Dławik ten w obwodzie pośredniczącym zmniejsza prąd załączeniowy przemiennika, przez co ogranicza narażenia prądowe zaworów prostownika, wygładza prąd w obwodzie pośredniczącym i znacznie obniża odkształcenia prądu pobieranego z sieci. Falownik napięcia jest nieliniowym odbiornikiem, który pobierając prąd odkształcony powoduje komutacyjne załamania napięcia. Charakteryzuje się on również dużym prądem załączeniowym związanym z ładowaniem baterii kondensatorów obwodu pośredniczącego. Zwarcia międzyfazowe i doziemne w obwodzie wyjściowym przemiennika częstotliwości stwarzają zagrożenie wrażliwych na przeciążenia tranzystorów IGBT. Zabezpieczenia tranzystorów IGBT szybkimi bezpiecznikami nie jest wystarczające i nie chroni ich przed zniszczeniem. Do zabezpieczenia tranzystorów IGBT konieczne są ultraszybkie układy elektroniczne, odwracające polaryzację napięcia sterującego pojedynczych tranzystorów. Sygnał bramkowy o przeciwnej polaryzacji wyłącza tranzystor w czasie rzędu 2 do 5 ms. W przypadku nie zadziałania tego zabezpieczenia i uszkodzenia obydwu tranzystorów jednej gałęzi falownika lub gdyby obydwa tranzystory były jednocześnie załączone w razie uszkodzenia układu sterowania, to powstałe zwarcie byłoby zasilane z baterii kondensatorów układu pośredniczącego i z sieci zasilającej przemiennik. 30

6 Jako zabezpieczenie przed skutkami zwarcia w falowniku stosuje się zwiernik obwodu prądu stałego zwierający go w razie zwarcia w falowniku, które wykrywa przetwornik prądu w układzie pośredniczącym. Zwiernikiem jest zazwyczaj tranzystor lub super szybki bezpiecznik w obwodzie pośredniczącym. Zadaniem tego bezpiecznika nie jest ochrona tranzystorów przed skutkami zwarcia, lecz zabezpieczenie baterii kondensatorów i obudów modułów tranzystorów przed rozerwaniem. W przypadku powstania zwarcia doziemnego falownik wyłącza się w czasie około 100 ms zależnym od impedancji przejścia i częstotliwości napięcia wyjściowego. Przemienniki częstotliwości są zazwyczaj wyposażone w elektroniczne ograniczniki prądu obciążenia. Przemienniki częstotliwości wyróżniają spośród innych odbiorników energii elektrycznej następujące cechy: znaczny ładunek elektryczny, zgromadzony w kondensatorach obwodu pośredniczącego, proporcjonalny do mocy przemiennika, wrażliwość elementów energoelektronicznych i elektronicznych na uszkodzenia w czasie pracy w nieodpowiednich warunkach zasilania i chłodzenia, duże częstotliwości prądów doziemnych występujących w przewodzie ochronnym PE, wywoływane przez impulsowy charakter napięcia fazowego zasilającego silnik elektryczny, duże odległości między przemiennikiem częstotliwości i zasilanym silnikiem. 5. Ochrona przeciwporażeniowa Z punktu widzenia ochrony przeciwporażeniowej przemienniki częstotliwości zawierają dwa podstawowe obwody, które należy odrębnie rozpatrywać. Jeden z nich to obwód prostownika, drugi falownika z zasilanym silnikiem. Zwarcie, występujące na wyjściu prostownika, jest wyłączane przez zabezpieczenia na wejściu jego zasilania sieciowego. Zwarcie powinno być wyłączone tak szybko, aby nie dopuścić do uszkodzenia diod prostowniczych i przewodów zasilających. Napięcie dotykowe na częściach przewodzących dostępnych, zwłaszcza na obudowie przemiennika, nie powinno przekroczyć wartości napięcia bezpiecznego w warunkach eksploatacji przemiennika. W celu uniknięcia uszkodzeń przewodów zasilających w zaciskach prostownika, w przypadku zwłoki w wyłączeniu zwarcia, w jego obwodzie należy stosować przewody o przekrojach większych od wynikających z obciążenia prądowego. Do eliminacji niebezpiecznych napięć dotykowych wskazane jest stosowanie połączeń wyrównawczych. W przemienniku częstotliwości falownik jest zasilany z prostownika napięciem prądu stałego przez indukcyjność dławika wygładzającego o znacznej wartości oraz z baterii kondensatorów o dużej pojemności. Obwody falownika mają niewielką indukcyjność, co powoduje, że prądy rozładowania kondensatorów w przypadku ich zwarcia osiągają duże wartości. Stwarza to niebezpieczeństwo uszkodzenia tyrystorów GTO i IGCT tworzących falownik. W celu zabezpieczenia tyrystorów konieczne jest zatem stosowanie super szybko działających układów elektronicznych. Nr

7 W czasie przekształcania energii elektrycznej mogą występować przetężenia zarówno w czasie normalnych stanów pracy przemiennika, jak i w przypadku jego uszkodzeń. Dlatego stosuje się zabezpieczenia przed skutkami zwarć każdego stopnia przekształcania energii i na jego wyjściu również przed skutkami zwarć z uziemioną obudową (zwarć doziemnych). Filtr LC umieszczony między prostownikiem i falownikiem powoduje, że prądy zwarciowe wewnętrzne, zewnętrzne i doziemne w prostowniku i w falowniku mają różny charakter. Trzeba więc przy doborze zabezpieczeń rozpatrywać osobno przebiegi prądowe, które mogą wystąpić przy zwarciach między przewodami roboczymi i między nimi i uziemionym przewodem ochronnym PE w obwodach: wejściowym i wyjściowym prostownika, na wyjściu filtra LC, w falowniku i na jego wyjściu, w obwodach sterowania i regulacji. Ze względu na możliwość występowania przetężeń w czasie normalnej pracy przemienniki wyposażane są w układy ograniczające prąd ładowania kondensatorów, działające po ich załączeniu, po zaniku i powrocie napięcia zasilającego oraz w układy ograniczające prąd w razie skokowej zmiany obciążenia albo prędkości obrotowej silnika, czy maszyny napędzanej. Super szybkie bezpieczniki gr instalowane na wejściu przemiennika służą również do ochrony przeciwporażeniowej. Przemienniki częstotliwości mogą być wyposażane w zabezpieczenia zwarciowe, przeciążeniowe i ziemnozwarciowe przez producenta lub w czasie instalacji. Zabezpieczenia nadmiarowoprądowe i zwarciowe w obwodzie zasilającym chronią zarówno przemiennik, jak i obwód zasilający przed pożarem w przypadku zwarć wewnątrz lub na zewnątrz przemiennika. Zabezpieczenia nadprądowe instalowane w przemiennikach częstotliwości, np. bezpieczniki topikowe, wyłączniki instalacyjne, zabezpieczenia elektroniczne, zapobiegają skutkom zwarć wewnętrznych w przypadku uszkodzenia jego części składowych tyrystorów, tranzystorów, diod. Jako ochrona przy uszkodzeniu stosowane są w zależności od rodzaju sieci: uziemienie ochronne, w przypadku zwarcia doziemnego obudowy z uziemionym przewodem ochronnym PE samoczynne wyłączenie zasilania oraz ochronne połączenia wyrównawcze. Ochrona przeciwporażeniowa przemiennika częstotliwości w przypadku uszkodzenia polega na samoczynnym wyłączeniu zasilania w razie zwarcia części czynnej z obudową uziemioną lub połączoną z przewodem ochronnym PE. Jest ona środkiem ochrony stanowiącym kombinację: ochrony podstawowej realizowanej przez izolację podstawową części czynnych oraz ochrony przy uszkodzeniu realizowanej przez połączenia wyrównawcze i samoczynne wyłączenie zasilania w przypadku uszkodzenia. 32

8 Do wyłączenia napięcia zasilającego przeznaczone są: wyłączniki różnicowoprądowe, jako ochrona uzupełniająca, wyłączniki instalacyjne nadprądowe oraz bezpieczniki topikowe włączone w pętlę zwarcia o małej impedancji. Pętlę zwarcia tworzą zewnętrzne zabezpieczenie zwarciowe, elementy elektroniczne przemiennika (dioda prostownicza i tranzystor), przewód fazowy obwodu zasilającego, obudowa silnika, przewód ochronny PE, uzwojenie transformatora, przewód fazowy obwodu zasilającego przemiennik częstotliwości. Jeżeli w przypadku zwarcia zadziałanie zabezpieczeń zwarciowych będzie opóźnione, to wszystkie elementy elektroniczne ulegają zniszczeniu pod wpływem prądu zwarciowego o wartości około 2 I n. Użycie wysokoczułych wyłączników różnicowoprądowych o prądzie różnicowym I = 30 ma jest ograniczone nie tylko ze względu na niewielki ich prąd znamionowy do ochrony niewielkich jednostek, ale również ze względu na ich wrażliwość na pojemnościowe prądy upływowe przewodów silnikowych i silników, które mają zazwyczaj wartości około 100 ma, a w silnikach większych mocy mogą przekraczać nawet 500 ma. Zabezpieczenia nadprądowe nie zawsze wyłączają zasilanie w wymaganym czasie. Czas wyłączenia zasilania w przypadku zwarcia doziemnego zależy przede wszystkim od rezystancji przewodu ochronnego, która ma zasadniczy wpływ na impedancję powstałej pętli zwarcia i charakterystyki prądowo-czasowej zabezpieczenia. Z charakterystyk pasmowych prądowo-czasowych wyłączników instalacyjnych wynika, że czas wyłączenia wyłącznika z charakterystyką prądowo-czasową B mieści się w granicach 5 ms do 30 ms. Porównując charakterystyki pasmowe prądowo-czasowe wyłączników instalacyjnych i super szybkich wkładek topikowych typu gr lub ar zauważamy, że niezależnie od wartości prądu zwarcia zadziałanie tej wkładki topikowej nastąpi w czasie nie przekraczającym 1 ms, zaś wyłącznik nadprądowy zadziała dopiero po czasie około 30 ms. Przedłużenie czasu przepływu prądu zwarciowego przez elementy elektroniczne przemiennika częstotliwości oraz przez obudowy przewodzące przemiennika i silnika elektrycznego stanowi z jednej strony niebezpieczeństwo zniszczenia elementów elektronicznych, zaś z drugiej strony niebezpieczeństwo przepływu przez ciało człowieka prądu rażeniowego powstałego pod wpływem napięcia dotykowego. Wyłączniki nadprądowe są zatem za wolne do ochrony przemiennika częstotliwości przed skutkami wewnętrznych zwarć doziemnych i międzyfazowych. Wkładki topikowe typu gr lub ar przepalą się, zgodnie z wymaganiami ochrony przeciwporażeniowej, w czasie do 0,4 s przy wartości prądu zwarciowego o natężeniu 1,6 do 1,7 jej prądu znamionowego, zaś w czasie 1ms przy wartości prądu zwarciowego w granicach 10I n. W układzie sieci TN przy braku uziemienia przewodzącej obudowy silnika napięcie dotykowe zależy od impedancji przewodu ochronnego PE. W przewodzie tym zawsze płyną prądy doziemne, niekiedy o znacznych wartościach, wynikające Nr

9 z doziemnych pojemności pasożytniczych przewodów zasilających silnik elektryczny z przemiennika częstotliwości i samego silnika. Przewód ochronny PE powinien mieć małą impedancję, umożliwiającą przepływ prądu zwarciowego o wartości powodującej wyłączenie napięcia zasilającego w wymaganym czasie. Ponadto przewód ochronny musi mieć odpowiednio małą impedancję w stosunku do prądów wysokiej częstotliwości, w granicach 3 do 16 khz po to, aby w czasie normalnego stanu pracy przemiennika częstotliwości przepływ doziemnych prądów pojemnościowych nie spowodował wzrostu napięcia dotykowego ponad dopuszczalną wartość. Z analizy napięcia fazowego wyjściowego przemiennika częstotliwości zasilającego silnik napędowy wynika jego niesinusoidalny przebieg z dużą liczbą kształtujących je pojedynczych impulsów napięciowych. Wynika to ze stosowanej metody kształtowania napięć wyjściowych falownika wykorzystującej modulację szerokości impulsów (PWM). Impulsowe kształtowanie napięć fazowych powoduje przepływ prądów doziemnych o znacznych natężeniach i dużych częstotliwościach przez doziemne pojemności pasożytnicze przewodu łączącego przemiennik z silnikiem elektrycznym i silnika. Im pojemności te są mniejsze, tym mniejsze prądy płyną w przewodzie ochronnym przemiennika. Przyczyną powstawania tych prądów jest falownik. Prądy upływu wpływają różnymi drogami z powrotem do falownika. Obwody tych prądów zamykają się w falowniku przez filtry EMC wejściowy i obwodu pośredniczącego. Gdy filtr EMC nie jest uziemiony, to droga prądu przebiega przez transformator i obwód zasilający przemiennik. Część prądów doziemnych (upływowych) wpływa do falownika przez pojemności pasożytnicze uziemionych radiatorów elementów energoelektronicznych prostownika i falownika oraz uziemionych obudów baterii kondensatorów obwodu pośredniczącego. Pojemności te mają niewielkie wartości rzędu nanofaradów i w przypadku większych przekrojów przewodów zasilających silniki elektryczne o większych mocach nie tworzą odpowiednich układów filtracji prądów doziemnych z przewodu ochronnego PE do przemiennika częstotliwości. Nowoczesne przewody przeznaczone do zasilania silników elektrycznych z przemienników częstotliwości charakteryzują niewielkie pojemności rzędu kilku do kilkunastu [nf/km] w układzie żyła/żyła i od kilkudziesięciu do kilkuset [nf/km] w układzie żyła/ekran, co znacząco wpływa na polepszenie warunków EMC. 6. Zagrożenia pożarowe Urządzenia energoelektroniczne mogą stwarzać zagrożenie pożarowe, jeżeli są nieprawidłowo wykonane, zainstalowane lub eksploatowane. W konstrukcjach urządzeń energoelektronicznych zwłaszcza przetwornic częstotliwości powinny być całkowicie wyeliminowane materiały palne. Przekroje przewodów powinny być tak dobrane, aby w razie zwarcia prąd o czasie trwania ograniczonym czasem zadziałania zabezpieczeń nie spowodował nadmiernego ich nagrzania, co mogło- 34

10 by się przyczynić do powstania pożaru. W przypadku uszkodzeń wewnętrznych możliwe jest również powstanie łuku elektrycznego. Aby ograniczyć zagrożenie pożarowe, należy dokładnie określić warunki środowiskowe pracy urządzeń energoelektronicznych normalne, zagrożone pożarem lub wybuchem. W zależności od warunków eksploatacji należy również dokładnie określić: miejsca zainstalowania urządzeń energoelektronicznych, rodzaj budowy i stopień ochrony IP, maksymalny dopuszczalny przyrost temperatur. Artykuł został przedrukowany z Miesięcznika Elektrosystemy nr 1/2013 za zgodą autora i Redakcji ANKIETA podstawowe dane techniczne przemienników częstotliwości Producent/Dystrybutor Typ urządzenia Napięcie wejściowe [V] Tolerancja napięcia wejściowego [%] Częstotliwość wejściowa Prąd znamionowy zasilania Zakres mocy zasilanego silnika Moc znamionowa Napięcie 0 U n Prąd ciągły [Hz] [A] [kw] [kw] [V] [A] Przeciążalność [%] Moment rozruchowy [%] Prąd wyjściowy Częstotliwość wyjściowa Rozdzielczość częstotliwości wyjściowej Czas hamowania/przyspieszenia [A] [Hz] [HYz] [s] Nr

11 Sterowanie częstotliwością U/f Wektorowa w pętli otwartej Wektorowa w pętli zamkniętej Dopuszczalna liczba startów w ciągu godziny Częstotliwość kluczowania [khz] Zadawanie częstotliwości Punkt osłabienia pola [Hz] Moment hamujący Funkcje zabezpieczające Przekaźnik mostkujący Czas reakcji na zanik napięcia zasilającego [ms] Sygnalizacja eksploatacyjna LED Wyświetlacz LCD Zasilacz wewnętrzny Wejścia/wyjścia sterownicze Wyjścia przekaźnikowe Komunikacja z PC, klawiatura Temperatura pracy [ C] Stopień ochrony Przeznaczenie Inne funkcje i wyposażenie Informacje dodatkowe 36