Wybrane aspekty zaburzeń generowanych przez przemienniki częstotliwości

Transkrypt

1 dr inż. STANISŁAW SZKÓŁKA dr inż. GRZEGORZ WIŚNIEWSKI Instytut Energoeletryi Politechnii Wrocławsiej PAWEŁ STRAMA TEJA Sp. z. o.o. Ząbowice Śląsie Wybrane aspety zaburzeń generowanych przez przemiennii częstotliwości W artyule przedstawiono i omówiono różne sposoby zasilania silnia poprzez falowni. Zaprezentowano ponadto wynii pierwszego etapu badań falownia PWM o mocy 1,5 W przy różnych onfiguracjach jego uładu zasilania. 1. WPROWADZENIE Dynamiczny rozwój energoeletronii i przeształtniów statycznych stawia coraz to nowe wyzwania dla personelu zajmującego się esploatacją uładów napędowych nie tylo od strony uładów automatyi, ale również ich negatywnego oddziaływania na sieć zasilającą. Ciągle wzrastająca liczba i moc napędów górniczych z rou na ro wzmagają problematyę zaburzeń towarzyszących pracy przemienniów częstotliwości. Jednym z najczęściej spotyanych w esploatacji przeształtniów statycznych są falownii PWM zwane popularnie przemienniami częstotliwości, a stosowane często w uładach napędowych z silniami prądu przemiennego. Zasilane z pośredniczącego obwodu prądu stałego (U d ), przeształcają energię do postaci trójfazowej przy możliwie najwierniejszym sinusoidalnym ształcie napięć wyjściowych. Podstawowy uład taiego falownia przedstawiono na rys. 1, gdzie jao S1-S6 oznaczono półprzewodniowe przyrządy mocy, najczęściej tranzystory IGBT. Rys. 1. Uproszczony schemat trójfazowego falownia napięcia

2 Nr 7(473) LIPIEC Rys. 2. Zasada ształtowania napięć wyjściowych falownia MSI a) przebiegi zadające, b) napięcia pomiędzy puntem N uładu a zacisiem fazy wyjściowej, c) wyjściowe napięcia międzyfazowe Uzysanie sinusoidalnego przebiegu napięcia możliwe jest poprzez ształtowanie jego ażdej połówi z odpowiednio wygenerowanego ciągu impulsów o zmiennej szeroości (metoda MSI modulacja szeroości impulsów; ang. PWM). Konieczność zapewnienia sinusoidalnego przebiegu napięć wyjściowych wynia z fatu, iż wyższe harmoniczne napięć zasilających stojan silnia generując współ- i przeciwbieżnie wirujące pola zwięszają straty cieplne i wywołują momenty pasożytnicze. Im więsza jest więc częstotliwość przebiegu piłoształtnego (rys. 2), tym bardziej przebieg napięcia wyjściowego, opisany zmianą średniej wartości ciągu impulsów w czasie półoresu, przybliża się do sinusoidalnego napięcia odniesienia U ref. Wartość częstotliwości luczowania f i we współczesnych falowniach waha się w granicach od ilu do ilunastu Hz. Na rys. 3 przedstawiono przyładowe przebiegi prądów wyjściowych falownia dla trzech różnych wartości częstotliwości luczowania. Duże wartości częstotliwości luczowania zaworami falownia z jednej strony zapewniają, co prawda mało odształcony przebieg prądu silnia, z drugiej zaś strony łatwiej przeniają do uładu zasilania poprzez pojemności abli zasilających i pojemności doziemne uzwojeń stojana silnia. Wywołane tym zjawisiem zaburzenia eletromagnetyczne załóca- Rys. 3. Przebiegi prądów wyjściowych falownia dla różnych wartości częstotliwości luczowania f i ją pracę wrażliwych uładów automatyi, pomiarów i monitoringu (RFI Radio Frequence Interference). Dlatego też na odcinu od przemiennia do silnia stosuje się able eranowane, ograniczając przy tym ich długość, z uwagi na ich pojemnościowy charater. W przypadu, gdy napęd ma być używany w obszarze wrażliwym na załócenia eletromagnetyczne producenci zalecają stosowanie różnych filtrów w celu ograniczenia niepożądanych załóceń eletromagnetycznych, generowanych przez przemienni, a propagowanych przez able.

3 62 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Przeształtnii stanowią ponadto źródło prądowe wyższych harmonicznych generowanych do sieci zasilającej. Dopuszczalny poziom emisji zaburzeń jest to masymalna wartość zaburzeń generowanych przez dane urządzenie, tóra nie powinna zostać przeroczona. Poziom emisji zaburzeń często jest oreślany w wartościach bezwzględnych, np. bezwzględna wartość prądu oreślonej harmonicznej. W tabeli 1 podano przyładowo dopuszczalne poziomy emisji dla nietórych harmonicznych prądu w sieciach nn wyrażone w amperach [1]. Rząd harmonicznej Dopuszczalne poziomy emisji wg PN-EN :2007 Tabela 1 Dopuszczalny poziom emisji [A] Klasa A Klasa B 5 1,14 1, ,77 1, ,33 0, ,21 0,315 W pratyce producenci urządzeń poddają swe urządzenia tym badaniom, podają lasę poziomu emisji załóceń, opierając się o wytyczne norm taich ja PN-EN 50178,IEC czy też IEEE [4]. Z uwagi na wzrastające wartości mocy i liczbę instalowanych przemienniów, problematya ich negatywnego oddziaływania na sieć zasilającą jest coraz częściej poruszana [3,4]. 2. OPCJONALNE ELEMENTY UKŁADU ZASILANIA FALOWNIKA Do opcjonalnych elementów uładów zasilania falownia można zaliczyć: Filtr sieciowy zapewnia on poziom tłumienia emitowanych załóceń w lasie A lub B przy ściśle oreślonej przez producenta długości abla. Należy go montować możliwie bliso przemiennia. Spotya się różne jego wyonania w zależności od typu przemiennia; Dławi wejściowy (sieciowy) ma za zadanie reducję pulsacji prądu wejściowego poprzez wprowadzenie inducyjności w obwód sieci; Dławi wyjściowy (obciążeniowy) ma na celu reducję sygnałów załócających emitowanych przez abel silnia ja również ompensację pojemności długich eranowanych abli silniowych. W zależności od stopnia wyposażenia uładu zasilania w poszczególne dławii i filtry ja i masymalnej długości użytych abli eranowanych, zastosowane rozwiązanie powinno spełniać wymagania jednej z las zgodności eletromagnetycznej [EMC], odnośnie do emisji zaburzeń emitowanych przez ten uład. Na rys. 4 przedstawiono przyładowy uład zasilania silnia o mocy 1,5 W poprzez falowni i opcjonalnie dołączone elementy uładów filtrujących, mające na celu ograniczanie sutów nie tylo zaburzeń eletromagnetycznych, ale taże oddziaływania falownia na sieć zasilającą. Rys. 4. Przyładowy uład zasilania silnia poprzez falowni (zalecany przez producenta)

4 Nr 7(473) LIPIEC Rys.5. Uład pomiarowy poszczególnych opcji zasilania silnia poprzez falowni Należy zwrócić uwagę na powracającą ciągle dysusyjną problematyę sposobu łączenia obudów poszczególnych elementów uładu do przewodów ochronnych (łączenie przewodów ochronnych PE wraz z dodatowym uziemieniem silnia). Przy więszej liczbie podobnych uładów oraz zalecanym sposobie łączenia obudów, pojawia się dodatowa droga przepływu prądów błądzących. I ta w przewodach PE przy znacznej liczbie zainstalowanych falowniów stwierdzano obecność prądów o dużej zawartości wyższych harmonicznych rzędu ilunastu amperów wartości sutecznej. Dodatową niejasność wprowadzają oznaczenia zacisów uziemiających elementów uładu (rys. 4) inne niż te uwidocznione na schemacie połączeń (PE - ). 3. BADANIA RÓŻNYCH OPCJI ZASILANIA SILNIKA Celem przeprowadzonych badań było stwierdzenie czy i w jaim stopniu poszczególne elementy uładu przedstawione na rys. 4 wpływają na stopień odształcenia prądów i napięć sieci zasilającej. Badania przeprowadzono w uładzie przedstawionym na rys. 5. Silni o mocy 1,5 W podłączono do falownia rótimi przewodami nieeranowanymi z pominięciem dławia wyjściowego 3 3,5 mh. W pierwszej opcji zasilania (masymalna liczba elementów uładu) falowni 3 przyłączono do trójfazowej sieci zasilającej V za pośrednictwem filtra sieciowego 2 (rys. 5) oraz dławia wejściowego 1. Wszystie obudowy przyłączono do przewodu ochronnego PE, monitorując poszczególne prądy upływnościowe I PE2 (filtra sieciowego) i I PE3 (falownia) przy pomocy cewe Rogowsiego ja i cęgów pomiarowych. Cęgami pomiarowymi monitorowano ponadto wejściowy prąd fazowy i 1 (t) filtra 2 oraz wejściowy prąd fazowy i 2 (t) falownia 3. Próba użycia cewe Rogowsiego, jao elementów monitorujących przebiegi prądów podytowana była ich cechą wzmacniania prądów wyższych częstotliwości w związu ze spodziewanymi prądami upływowymi, płynącymi poprzez pojemności doziemne faz silnia. Niestety zbyt małe wartości tych prądów (małe pojemności) induowały w cewach nie nadające się do analizy szumy. Dlatego też na tym etapie badań zrezygnowano z cewe Rogowsiego, tóre planuje się wyorzystać w drugim etapie badań w uładach napędowych o znacznie więszych wartościach mocy Pomiary w opcji 1 uładu zasilania W ramach pomiarów zarejestrowano przebiegi prądów i napięć fazowych po stronie zasilania falownia, wyonano analizy wyższych harmonicznych w tych przebiegach. Zarejestrowane przebiegi prądów i napięć uładu przedstawiono na rys. 6 i 7.

5 64 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Należy zwrócić uwagę na stosunowo znaczną wartość (o. 0,7 A w impulsie) prądu doziemnego filtra sieciowego i PE2, tóry wpływa do przewodu ochronnego PE. (rys. 6). Przedstawione na rys. 7 przebiegi napięć fazowych w poszczególnych puntach uładu pozostają pratycznie nieodształcone. Natomiast zawartość wyższych harmonicznych w tych przebiegach maleje w miarę zbliżania się do zacisów sieci zasilającej. CH1- i 1 (prąd pobierany z sieci przez cały uład) CH2 - i 2 (prąd pobierany przez falowni po filtrze) CH3 - i PE2 (doziemny prąd filtra sieciowego 2) Rys. 6. Zarejestrowane przebiegi prądów uładu wg opcji 1 CH1- u 1 (napięcie fazowe przed filtrem sieciowym) CH2 - u 2 (napięcie fazowe po filtrze sieciowym) CH3 u 0 (napięcie fazowe na zacisach sieci) Rys. 7. Zarejestrowane przebiegi napięć fazowych uładu wg opcji 1 zasilania

6 Nr 7(473) LIPIEC U 1 [V] U 11=241V Wyższe harmoniczne u 1 napięcia fazowego u 1 przed filtrem sieciowym U 2 [V] U =241V 21 Wyższe harmoniczne u2 napięcia fazowego u 2 po filtrze sieciowym U 0 [V] U =241V 01 Wyższe harmoniczne u 0 napięcia fazowego u 0 na zacisach sieci Rys. 8. Zarejestrowane wartości wyższych harmonicznych napięć fazowych uładu wg opcji 1 zasilania a) b) Rys. 9. Zarejestrowane harmoniczne prądów fazowych uładu wg opcji 1 a) i 1 (prądu pobieranego z sieci przez cały uład), b) i 2 (prądu pobieranego przez falowi) Biorąc pod uwagę stopień odształcenia prądu (THDi) oazuje się, że współczynni ten dla prądu pobieranego z sieci jest znacznie więszy od jego wartości zmierzonej dla prądu pobieranego przez sam falowni. Wynia to z fatu zamyania się wyższych harmonicznych przez gałąź poprzeczną filtra sieciowego. Wartości poszczególnych harmonicznych prądów i 1 i i 2 z rys. 6 zamieszczono w tabeli 1. Zestawienie wartości wyższych harmonicznych prądów i 1 (t) i i 2 (t) [opcja 1] Tabela 1 Rząd wh» Wartość RMS [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] i 1 (sieć) 1,05 0,65 0,26 0,19 0,17 0,45 0,59 0,13 i 2 (falowni) 0,54 0,40 0,23 0,14 0,14 0,16 0,

7 66 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Zestawienie wartości wyższych harmonicznych prądów i 1 (t) i i 2 (t) [opcja 2] Tabela 2 Rząd wh» Wartość RMS [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] i 1 (sieć) 1,01 0,63 0,40 0,38 0,36 0,32 0,16 0,13 i 2 (falowni) 0,88 0,39 0,38 0,37 0,32 0,28 0,18 0,15 CH1 i 1 (prąd pobierany z sieci) CH2 - i 2 (prąd pobierany przez falowni po filtrze) CH3 - i PE2 (doziemny prąd filtra sieciowego 2) Rys. 10. Zarejestrowane przebiegi prądów uładu wg opcji 2 (bra dławia sieciowego) a) b) Rys. 11. Zarejestrowane harmoniczne prądów fazowych uładu wg opcji 2 c) i 1 (prądu pobieranego z sieci); d) i 2 (prądu pobieranego przez falowni) Nie udało się natomiast wyznaczyć widma wyższych harmonicznych w prądzie doziemnym i PE2 filtra sieciowego za pomocą analizatora Flue 43, ponieważ w prądzie tym pratycznie nie występuje harmoniczna 50 Hz. Z uzysanego przebiegu tego prądu (rys. 6) wynia, że dominującą harmoniczną jest harmoniczna Pomiary w opcji 2 uładu zasilania W tej opcji zasilania falowni przyłączono do sieci zasilającej za pośrednictwem filtra sieciowego z pominięciem dławia sieciowego (rys. 5). Przebiegi prądów i 1 (t), i 2 (t) oraz i PE2 przedstawiono na rys. 10. Pominięcie dławia wejściowego zdecydowanie pogorszyło przebiegi prądów i 1 (t), i 2 (t), dodając w efecie impulsy prądowe charaterystyczne dla procesu doładowywania obwodu pośredniczącego falownia. Odształcenie napięć w poszczególnych puntach obwodu nie uległo zasadniczej zmianie w odniesieniu do 1 opcji zasilania. Współczynni odształcenia THD i prądu i 1 pobieranego z sieci jest mniejszy od jego wartości oreślonej dla prądu i 2 pobieranego przez falowni (rys. 11). Wartości poszczególnych harmonicznych obu prądów zamieszczono w tabeli 2.

8 Nr 7(473) LIPIEC Pomiary w opcji 3 uładu zasilania Pomiary wyonano dla falownia przyłączonego bezpośrednio do zacisów sieci zasilającej z pominięciem dławia i filtra sieciowego. Na rys. 12 przedstawiono zarejestrowane przebiegi prądu pobieranego z sieci oraz prądu doziemnego i PE3 falownia. Z uwagi na małe wartości prądu doziemnego ja i jego charater nie podjęto próby jego interpretacji. Znaczne zwięszenie mocy silnia i falownia w planowanym drugim etapie badań zwięszy ich pojemno- ści doziemne, a co za tym idzie prądy doziemne wysoiej częstotliwości. Zastosowanie w tym uładzie cewe Rogowsiego do ich monitorowania będzie miało uzasadnienie i powinno pozwolić na doładną interpretację uzysanych tą drogą wyniów. Odształcenie napięcia sieci zasilającej pozostawało pratycznie stałe dla wszystich opcji zasilania. Porównanie harmonicznych napięcia sieci obciążonej falowniiem i napięcia przy odłączonym falowniu przedstawiono na rys. 13. Harmoniczne prądu sieci w 3 opcji zasilania poazano na rys. 14. CH1 CH2 - i 2 (prąd pobierany z sieci przez falowni) CH3 - i PE3 (prąd doziemny falownia Rys. 12. Zarejestrowany przebieg prądu uładu wg opcji 3 zasilania (sam falowni) U 2 [V] U =241V 21 a) b) U 2 [V] U =241V 21 Rys. 13. Wyższe harmoniczne w napięciu sieci a) przy załączonym falowniu w opcji 3 zasilania; b) przy odłączonym falowniu Rys. 14. Harmoniczne prądu sieci w 3 opcji zasilania

9 68 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Porównanie wyższych harmonicznych prądów sieci różnych opcji zasilania Tabela 3 Rząd wh» THDi RMS % [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] [A] i (opcja 1) 79,8 1,05 0,65 0,26 0,19 0,17 0,45 0,59 0,13 i (opcja 2) 78,9 1,01 0,63 0,40 0,38 0,36 0,32 0,16 0,13 i (opcja 3) 88,4 0,80 0,36 0,34 0,33 0,29 0,28 0,19 0,19 W tabeli 3 przedstawiono wartości współczynnia odształcenia THDi prądu pobieranego z sieci oraz wartości harmonicznych dla poszczególnych opcji zasilania. W tabeli zaznaczono minimalne wartości prądów poszczególnych harmonicznych. Opcja pierwsza najbardziej rozbudowana znacznie reduuje wartości emitowanych harmonicznych 5., 7. i 11.; harmonicznych, tórych masymalne wartości prądów są oreślone normami (tabela 1). Biorąc pod uwagę wartości współczynnia odształcenia THD i prądu opcja 1 zasilania charateryzuje się najmniejszą jego wartością. Z puntu widzenia eletroenergetya załadowego, bezdysusyjna więc pozostaje sprawa czy zainwestować trochę więcej wyposażając falowni w opcjonalne ułady reduujące zaburzenia generowane do sieci zasilającej, czy godzić się na rozwiązania oszczędne będące źródłem potencjalnych załóceń zarówno wysoiej, ja i nisiej częstotliwości. WNIOSKI, UWAGI KOŃCOWE Przeprowadzone badania uładu napędowego małej mocy (1,5 W) wyazały znaczący wpływ opcjonalnych jego elementów na zawartość wyższych harmonicznych w prądzie pobieranym z sieci. Najwięszy wpływ na ształt prądu pobieranego z sieci należy przypisać szeregowemu dławiowi sieciowemu, tóry znacząco ogranicza impulsy prądowe filtra obwodu pośredniczącego falownia. Masymalnie rozbudowana opcja zasilania (1) charateryzuje się najmniejszą wartością współczynnia odształcenia prądu THDi. Zastosowanie filtra sieciowego spowodowało przepływ prądu 0,7 A w impulsie o częstotliwości 750 Hz (15. harmoniczna) w przewodzie ochronnym PE. Stwierdza się dużą niejednoznaczność w opisie zacisów uziemiających poszczególnych elementów uładu, sposobów uziemiania abli, elementów oraz zamiennego używania pojęć uziemienie i przewód ochronny. Z uwagi na możliwości użytych analizatorów badania ograniczono do 50. harmonicznej. Małe wartości prądów doziemnych wysoiej częstotliwości użytego silnia i falownia nie pozwoliły na ich doładne monitorowanie z wyorzystaniem cewe Rogowsiego, dlatego też przeprowadzenie drugiego etapu badań planowane jest w uładzie o znacznie więszych wartościach mocy silnia. Literatura 1. PN-EN :2004 Kompatybilność eletromagnetyczna (EMC). Część 3-2: Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilający odbiornia 16 A). 2. EN ; EN Szymańsi J.: Ochrona przed prądami dużych częstotliwości w instalacjach napędów przeształtniowych w sieciach separowanych, Eletro Info nr 7/8 2008, str Szymańsi J.: Harmoniczne prądu i napięcia w sieci zasilającej wprowadzane przez prostownii wejściowe napędowych przemienniów częstotliwości, Eletro Info nr , str Recenzent: dr inż. Marcin Habrych SELECTED ASPECTS OF DISTURBANCES GENERATED BY CONVERTERS The article features different methods of providing power supply to an engine through an inverter. Additionally, the article presents the results of the first phase of tests on a PWM inverter with the power of 1.5 W at different configurations of its power supply system. ИЗБРАННЫЕ АСПЕКТЫ НАРУШЕНИЙ, ГЕНЕРИРОВАННЫХ ЧЕРЕЗ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ В статье представлены и обсуждены различные способы питания двигателя через инвертор. Кроме того, представлены результаты первого этапа исследований инвертора PWM мощностью 1,5 квт при разных конфигурациях его системы питания.