JAKIE KABLE LUBI FALOWNIKI

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/ Marek Trajdos, T-System Projekt Sp. z o.o., Łód Robert Pastuszka, HELUKABEL Polska Sp. z o.o., Pozna JAKIE KABLE LUBI FALOWNIKI WHAT KIND OF CABLES ARE INVERTERS FAVORITS Abstract: In system included frequency converter motor cables, are main source of electromagnetic interference for whole automatic system. Secure of proper operation of the automatic system is conditional on use suitable motor cable. Used cable has to be characterised by electromagnetic compatibility and noise immunity, specified in catalogue. The cable construction is not enough to receive satisfactory level of electromagnetic interference emission. A lot important is proper method of fitting the cable, especially the cable screen to the ground connection. Except the electromagnetic interference we can find other disadvantageous effects during power supply of motors using electric power converters. 1. Wstp Wszystkie współczesne przekształtniki prdu przemiennego pracuj w oparciu o zasad modulacji szerokoci impulsu (PWM). Powysze warunkuje wystpowanie w widmie harmonicznych napicia zasilajcego silnik poza pierwsz harmoniczn o regulowanej czstotliwoci (zwykle w zakresie 0-60 Hz) pasm wyszych harmonicznych bdcych wielokrotno- ci podstawowej czstotliwoci modulacji, która jest z reguły jednym z nastawianych parametrów konfiguracyjnych falownika. Przykładowo dla przekształtników z rodziny Master Drives VC nastawa fabryczna wynosi 2,5 khz, cho uytkownik moe j zmieni pozostajc w zakresie od 1,5 do 16,0 khz. Dopuszczalny prd znamionowy w % Czstotliwo impulsowania [khz] Rys. 1. Przykładowa charakterystyka przedstawiajca przykładowe moliwoci modulatora PWM. W zalenoci od wielkoci urzdzenia dany przedział dopuszczalnej zmiennoci czstotliwoci impulsowania zmienia si w sposób uwidoczniony na rys Konstrukcja kabli do falowników, pojemnoci pasoytnicze Kady kabel bdcy układem jednej lub wielu ył przewodzcych w ewentualnym ekranie (równie przewodzcym) charakteryzuje własna indukcyjno oraz pojemno pasoytnicza. Pojemno wynika z istnienia elementów przewodzcych oddzielonych izolatorem, pomidzy którymi wystpuje rónica potencjałów. Impedancja w przypadku pojemnoci jest okrelona nastpujcym wzorem: Z c =1/2πf i C L (1) Gdzie: f i - czstotliwo impulsowania C - całkowita (wypadkowa) pasoytnicza pojemno jednostki długoci kabla L - długo kabla łczcego wyjcie falownika z silnikiem Wida zatem, e impedancja maleje wraz ze wzrostem zaprogramowanej czstotliwoci impulsów, pojemnoci właciwej kabla (bdcej jego parametrem konstrukcyjnym) oraz długo- ci przewodów zasilajcych silnik. Im mniejsza jest warto wypadkowej impedancji pojemnociowej układu przewodów zasilajcych silnik, tym wikszy jest prd płyncy przez pojemnoci pasoytnicze. Warto tego prdu sumuje si z właciwym obcieniem przekształtnika, co w krytycznym przypadku prowadzi do koniecznoci przewymiarowania falownika w aplikacjach z bardzo długimi kablami.

2 32 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/2005 a) Dla wyszych przekrojów warto pojemnoci ju znaczco nie wzrasta. Biorc pod uwag, e powysze kable s wykonywane jako czteroyłowe (rys.2.a) naley przy obliczaniu pojemnoci wypadkowej uwzgldni, e na jednostk długoci kabla składa si sze połczonych równolegle kondensatorów midzyyłowych oraz cztery zastpcze kondensatory typu yła/ekran. Pamitajc, e dla połczenia równoległego kondensatorów ich pojemno sumuje si, naley całkowit pojemno zastpcz oblicza ze wzoru: b) C=6C + 4C e (2) gdzie: C pojemno midzy yłami C e pojemno midzy ył a ekranem Rys. 2. Widok kabli trzy-(a) i czteroyłowych (b) Producenci przekształtników niekiedy podaj proponowane dopuszczalne długoci kabli ekranowanych oraz nie ekranowanych, lecz z natury rzeczy s to dane bardzo szacunkowe, poniewa w zasadzie nie wiadomo o jakiego producenta kabla chodzi. Przy czym wikszo producentów nie prowadzi nawet bada takich parametrów jak pojemno własna kabli dla swoich wyrobów. Na uwag zasługuje tu jawno wartoci pojemnoci właciwej kabla zdefiniowana w [nf/km], której warto zmienia si oczywicie w zalenoci od przekroju yły w granicach: od 70 (4x1,5 mm 2 ) do 250 (4x95 mm 2 ) nf/km warto midzy yłami od 110 (4x1,5 mm 2 ) do 410 (4x95 mm 2 ) nf/km warto midzy ył a ekranem. Tak wic przykładowo wypadkowa właciwa pojemno pasoytnicza dla kabla 4x16 mm 2 wyniesie 1760 nf/km. Dla kabla ekranowanego nowej generacji (rys.2.b) o przekroju yły czynnej 16 mm 2 pełna zastpcza pojemno pasoytnicza wynosi (według danych producenta) 210 nf/km! Natomiast obliczenie wartoci prdu płyncego w wyniku wystpowania zjawiska upływu przez pojemnoci pasoytnicze mona wykona w oparciu o nastpujce przykładowe załoenia: warto skuteczna harmonicznej zgodnej z czstotliwoci modulacji 2,5 khz wynosi 15% wartoci pierwszej harmonicznej napicia zasilajcego 400V, czyli 0,15x400=60V, napicie skuteczne powyszej harmonicznej pomidzy yłami wynosi zatem 60V, natomiast dla układów sieci z uziemionym punktem zerowym transformatora (nie IT) 0,5x60V=30V, sumaryczny upływ prdu midzy yłami wynosi dla kabla 4x16 mm 2 o długoci 100 m: I=U/ Z +U/2 Z e (3) I = 60V/758,27+30V/692,33 = 0,12A (4) Z =1/2 f i 6C L=758,27 (5) Z e =1/2 f i 4C e L=692,33 (6)

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/ Jak wida powyej ju sama cz upływu do ekranu (0,04A) bdzie powodowa błdne zadziałania wyłcznika rónicowo-prdowego o znamionowym prdzie wyzwolenia I n =30 ma. Oczywicie w celu wykonania pełnych oblicze naley wzi pod uwag równie dalsze harmoniczne czstotliwoci impulsowania. 3. Kompatybilno elektromagnetyczna Drugim istotnym aspektem zastosowania wła- ciwych kabli jest potrzeba spełnienia wymogów kompatybilnoci elektromagnetycznej. Produkuje si obecnie kable wyposaone w podwójny (złoony) ekran, składajcy si z wewntrznej warstwy foliowej oraz zewntrznego oplotu elastycznego zapewniajcych szczelno elektromagnetyczn porównywaln z kablami sygnałowymi. Naley w tym miejscu podkreli, e kable z pojedynczym ekranem oraz tzw. kable opancerzone nie spełniaj w pełni wymogów kompatybilnoci elektromagnetycznej. Rys. 3. Dławiki do kabli ekranowanych Nie spełniaj jej równie nawet najdoskonalsze kable, których ekran nie został obustronnie (na obu kocach) uziemiony, najlepiej na całym obwodzie oplotu. W praktyce osiga si to np. specjalnymi dławikami z kontaktem dla ekranu (rys.3). 4. Izolacja kabli do zasilania przekształtnikowego Rozpatrujc parametry izolacji kabla do zasilania przekształtnikowego naley rozpatrzy dwa aspekty: odpornoci napiciowej na przebicie oraz odpornoci na stromo narastania napicia (du/dt). Warunki napiciowe, którym jest poddawana izolacja kabla znacznie róni si od typowych warunków obwodów sinusoidalnych. Wynika to z faktu zasilania silnika napiciowym przebiegiem prostoktnym o amplitudzie impulsów wynikajcej z wartoci napicia w obwodzie porednim przekształtnika oraz stromoci zboczy wynikajcej z czasu przełczania kluczy tranzystorowych falownika. Wobec powyszego wytrzymało izolacji kabla przy zasilaniu przekształtnika napiciem np. 3x400V AC powinien by stosowany kabel o podwyszonych parametrach odpornoci napiciowej 600 V (a nie 400 V jak zwykle) oraz o zwikszonej do ok V/s wytrzymałoci stromociowej. Naley jednak zwróci uwag na fakt i, jak wczeniej wspomniano czstotliwo impulsowania typowo wynosi 2,5 khz, czyli w cigu sekundy 2,5 tysica razy izolacja jest poddawana stresowi stromociowemu. Ponadto na długoci kabla zasilajcego silnik, ze wzgldu na podwyszon czstotliwo impulsów PWM oraz ich prostoktny kształt (który stanowi swoisty generator wyszych harmonicznych, liczonych wzgldem nonej, czyli 2,5 khz) w obecnoci pasoytniczych indukcyjnoci i pojemnoci ujawniaj si zjawiska falowe. Owocuje to jak wida na rysunku nr 4, stopniowym wzrostem amplitudy impulsów PWM wzdłu kabla liczc od przekształtnika. W przebiegu widocznym na oscylogramie (rys.4.b) mona zaobserwowa zwikszon amplitud napicia, co jest wynikiem nałoenia si na przebieg a) napiciowych drga gasncych bdcych wynikiem wystpowania zjawisk falowych. Maksymalnie chwilowe wartoci napi mog osiga wartoci do: U mx chwil = 1,9 U DC = 2,6 U sk zas (7) Co dla przykładu zilustrowanego na rys. 4. dla napicia zasilania U sk zas =575 V AC daje warto U DC = 800 V DC, a w konsekwencji maksymalne chwilowe napicie U mx chwil = 1520V. Jak wykazuje praktyka sporadyczne wartoci mog w tym przypadku siga nawet 1840 V.

4 34 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/2005 a) b) Rys. 4. Oscylogramy napicia wyjciowego falownika PWM: a)na zaciskach wyjciowych falownika, b)na zaciskach silnika. Rys.5. Przykładowy oscylogram czoła impulsu PWM na zaciskach silnika (stromo napicia du/dt=1/0,136 [kv/s]=7,35 [kv/s]) Chcc dogłbnie przeanalizowa zagadnienie naley zda sobie dodatkowo spraw z faktu, e: jak wyej wspomniano w wyniku oddziaływa falowych kabla pojawiaj si drgania gasnce napicia o czstotliwoci wyszej od nonej przebiegu PWM (rys.5), czyli faktycznie liczba zboczy napiciowych nastpujcych po kadym narastajcym zboczu impulsu wynikajcym z modulacji wzronie wielokrotnie, bd wzrasta skoki napicia przy niezmiennej stromoci, co równie pogorszy warunki pracy izolacji, poniewa naley si spodziewa dla przykładu z rysunku 4. stromoci nawet do 1840 V/ 0,1 s = V/s, biorc pod uwag prdko rozchodzenia si sygnału w kablu naley oczekiwa i opisane wyej zjawiska falowe powinny zacz wystpowa ju przy długoci połczenia na poziomie 15 m! Z powyszymi problemami mona i naley walczy nie tylko za pomoc właciwego doboru kabli oraz izolacji silnika, lecz równie za pomoc filtrów wyjciowych. Zasada działania filtru wyjciowego jest analogiczna do filtru RFI i wprowadza do układu napdowego ograniczenie przepływu pasoytniczego przez kabel i silnik. Warto równie poda przy okazji informacj, e izolacja silnika (który przecie te jest naraony na skutek opisanych zjawisk) powinna by specjalna. Powinno si tutaj stosowa izolacj klasy F. Przy czym niektórzy producenci maszyn opracowali ju systemy izolacyjne o wyszych parametrach. 5. yły robocze Ostatnim aspektem do analizy jest zalecana budowa samych ył przewodzcych kabla. Powinny by one wykonane z wysokogatunkowej (czystej) miedzi oraz naley uywa linki, a nie drutu. Uycie linki jest przy tym uzasadnione głównie wzgldami mechanicznymi i przeciwdziała przenoszeniu si drga z silnika na szaf sterujc. Typow konstrukcj kabla jest układ czterech ył (3 fazy+pe) w ekranie lub dla najnowszej generacji szeciu ył (3 fazy + 3xPE) o rónicych si przekrojach (Rys.2.b). Stosowane s przekroje z szeregu typowego dla innych kabli siłowych.

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/ Rys.6. Zasada współpracy kabla ekranowanego i filtru sieciowego RFI w układzie sieci TN. Na rysunku pokazano drog przepływu pasoytniczego Autorzy Marek Trajdos T-System Projekt Sp.zo.o. Ul. Narutowicza 120/ Łód tel 042 / tel 042 / fax 042/ projekt@t-system.com.pl Robert Pastuszka Helukabel Polska Sp. z o.o. tel tel fax 046/ biuro@helukabel.pl