WPŁYW PARAMETRÓW WYJCIOWYCH FALOWNIKÓW PWM I KABLA ZASILAJCEGO NA ZJAWISKA PASOYTNICZE W SILNIKACH INDUKCYJNYCH

Transkrypt

1 119 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/ Piotr Zientek Politechnika lska, Gliwice WPŁYW PARAMETRÓW WYJCIOWYCH FALOWNIKÓW PWM I KABLA ZASILAJCEGO NA ZJAWISKA PASOYTNICZE W SILNIKACH INDUKCYJNYCH INFLUENCE OF THE PWM INVERTERS OUTPUT PARAMETERS AND POWER CABLE ON THE ADDITIONAL PHENOMENA OCCURING IN INDUCTION MOTORS Abstract: In the paper additional phenomena occuring in induction motors supplied from PWM inverters are presented. The voltage pulse generated by frequency converter is shown in Fig. 1 and Fig. 2. In Fig. 3 the common-mode voltage for two first inverter voltage output harmonics is shown. In Section 3 voltage generation on the frame of the induction motor supplied from PWM inverter are discussed. Measurement results are presented in Section 6 in Fig. 6 to Fig Wstp Zastosowanie nowoczesnych przekształtników energoelektronicznych pozwala na popraw własnoci maszyny indukcyjnej. Wad tego typu rozwizania s pojawiajce si zjawiska pasoytnicze, które przy zasilaniu sieciowym nie wystpuj lub nie s brane pod uwag ze wzgldu na ich znikome znaczenie. Stosowanie długich przewodów pomidzy falownikiem a silnikiem powoduje dodatkowo pogorszenie warunków pracy silnika, co znacznie wpływa na skrócenie jego ywotnoci oraz zwiksza prawdopodobiestwo awarii. Pojawiaj si przepicia na zaciskach silnika o duej amplitudzie i wysokiej czstotliwoci oscylacji. Parametrami wpływajcymi na amplitud i czstotliwo oscylacji s długo i właciwoci elektryczne kabla zasilajcego oraz stromo napiciowa (du/dt) impulsów wyjciowych falownika PWM. Z tego powodu pojawiaj si wyładowania niezupełne w izolacji zwojowej silnika. Maj one charakter impulsowy o duej czstotliwoci (do setek MHz) i wzbudzaj zakłócenia elektryczne i elektromagnetyczne, przez co utrudniaj prac innych urzdze elektrycznych [1]. W silnikach pracujcych w pobliu, zasilanych z sieci napicia przemiennego indukuj si siły elektromotoryczne bdce ródłem prdów upływu płyncych w przewodach uziomowych. Konieczne jest zatem stosowanie rodków zaradczych ograniczajcych ujemne skutki stosowania falowników i długich przewodów zasilajcych silnik. 2. Zjawiska pasoytnicze wystpujce w silnikach indukcyjnych zasilanych z falowników PWM W silnikach indukcyjnych zasilanych z falowników PWM wystpuj zjawiska pasoytnicze, do których zalicza si: indukowanie si napicia na korpusach izolowanych silników, wystpowanie napi wałowych, prdy doziemne w silnikach uziemionych, napicia i prdy łoyskowe, wzrost temperatury uzwoje, wytwarzanie hałasu o podwyszonym poziomie, spadek sprawnoci silnika, emisj zakłóce elektromagnetycznych, prdy ekranowe w kablach ekranowanych, powstawanie przepi na zaciskach silnika. Do przyczyn powstawania tych zjawisk zalicza si: du czstotliwo przełczania zaworów falownika, du stromo napiciowa (du/dt) impulsów wyjciowych falownika. 3. Przyczyny napi na kadłubach nieuziemionych silników indukcyjnych zasilanych z falowników PWM W falownikach PWM wyjciowe napicia fazowe wzgldem ziemi maj kształt cigu na przemian wystpujcych dodatnich i ujemnych impulsów prostoktnych o czstotliwoci wynikajcej z przyjtej modulacji i o przesuniciu fazowym wynikajcym z przesunicia fal sinu-

2 12 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/25 soidalnych w poszczególnych fazach (rys. 1, rys. 2). 6 u 1 (t) [V] Rys. 1. Przebieg czasowy napicia fazowego na zaciskach wyjciowych falownika u 1 (t) [V] Rys. 2. Impulsy napiciowe generowane przez przemiennik czstotliwoci Podczas zasilania silnika 3-fazowym napiciem sinusoidalnym symetrycznym, napicie w punkcie neutralnym uzwojenia stojana u N (t) jest równe zero. W przypadku zasilania silnika z falownika PWM suma wartoci chwilowych napi fazowych jest róna od zera w przeciwiestwie do zasilania sieciowego i stanowi napicie o kształcie krzywej schodkowej o wartoci szczytowej i czstotliwoci równej wartoci szczytowej i czstotliwoci napi fazowych (rys. 2). W punkcie neutralnym uzwojenia silnika pojawia si wic wypadkowe napicie u N (t) (rys. 2 i 3) wzgldem ziemi (napicie niezrównowaeni, które wyraa si wzorem: u1( t) + u2 ( t) + u3( t) u N ( t) = (1) 3 gdzie: u 1( t), u2 ( t), u3( t) wartoci chwilowe napi fazowych na zaciskach silnika Obecno izolacji pomidzy uzwojeniem stojana a obwodem magnetycznym oraz to, e w czasie pracy wirnik jest praktycznie odizolowany od pozostałych czci silnika (poprzez film olejowy w łoysku) powoduje, e w silniku powstaje układ pojemnoci pomidzy jego elementami składowymi. u N (t) [V] u N (t) [V] Rys. 3. Napicie w punkcie neutralnym uzwojenia stojana silnika zasilanego z falownika PWM: dla czstotliwoci wyjciowej f=2hz, dla czstotliwoci f=5hz Pojemnoci te zwane s pojemnociami wewntrznymi silnika, których elektrodami s uzwojenie stojana oraz rdze stojana i wirnika, a dielektrykiem jest izolacja przewodów zwojowych, izolacja łobkowa, szczelina powietrzna oraz film olejowy w łoyskach. Pojemnoci wewntrzne silników indukcyjnych niskiego napicia s parametrami praktycznie pomijalnymi przy ich projektowaniu i badaniu, bowiem przy zasilaniu sieciowym nie maj one istotnego znaczenia dla uytkowników. Warto tych pojemnoci jest rzdu kilku nf. Nabieraj one znaczenia dopiero przy zasilaniu z falowników PWM, bowiem wpływaj w sposób istotny na procesy przejciowe i zjawiska paso- ytnicze powstajce w obwodzie maszyny, dlatego znajomo ich wartoci ma zasadnicze znaczenie dla okrelenia wielkoci zjawisk ubocznych powstajcych w elementach konstrukcyjnych silników. Przy zasilaniu silników napiciem sinusoidalnym o małej czstotliwoci (f 5Hz) impedancje pasoytnicze s bardzo due i nie od-

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/ grywaj wikszego znaczenia w powstawaniu zjawisk pasoytniczych w silniku. W przypadku zasilania silników z falowników PWM, gdzie szybko narastania napicia wyjciowego dochodzi do 18 V/µs pojemnoci wewntrzne silnika i kabla zasilajcego zaczynaj odgrywa du rol w powstawaniu napi na elementach konstrukcyjnych silnika oraz maj duy wpływ na napicie na zaciskach silnika. W silniku indukcyjnym powstaje pojemnociowy dzielnik napicia, który powoduje, e napicie punktu neutralnego przenosi si na kadłub poprzez pojemnoci wewntrzne (pasoytnicze) uzwojenia wzgldem kadłuba (rys. ). u N (t) [V] u k (t) [V] Rys.. Przebieg czasowy napi: w punkcie neutralnym uzwojenia stojana, na kadłubie silnika izolowanego od podłoa. Jak wida napicie na kadłubie silnika ma kształt identyczny jak napicie w punkcie neutralnym uzwoje silnika, jednak jego warto jest nieznacznie mniejsza i zaley od wartoci pojemnoci pasoytniczych silnika.. Prdy doziemne w silnikach uziemionych Podczas eksploatacji silników indukcyjnych w celu spełnienia warunków ochrony przeciwporaeniowej kadłuby silników s uziemione. Przy zasilaniu silnika z falownika PWM w przewodach uziomowych płynie prd, który jest wynikiem ładowania i rozładowania pojemnoci wewntrznych silnika. Prd ten ma charakter impulsowy i płynie tylko w czasie zmiany polaryzacji układu pojemnociowego. Amplitudy tych prdów mog osiga warto kilku amper, natomiast warto skuteczna prdu uziemienia jest zalena od impedancji przewodu uziemienia, czstotliwoci sterowania zaworów falownika oraz od czstotliwoci składowej podstawowej harmonicznej napicia zasilania. 5. Emisja zakłóce elektromagnetycznych na rónym poziomie czstotliwo ci W celu zapewnienia zmiany prdkoci silnika indukcyjnego przez falownik PWM wytwarzany jest trójfazowy przebieg napicia o regulowanej wartoci czstotliwoci pierwszej harmonicznej. W zwizku z tym prócz harmonicznej podstawowej otrzymuje si take harmoniczne napicia wyszego rzdu (rys. 5). Pojawiaj si harmoniczne napicia o podstawowej składowej od do około 5Hz, pasma czstotliwoci fali nonej na poziomie khz oraz harmoniczne wyszego rzdu, wynikajce ze stromoci przełczania kluczy tranzystorowych (IGBT). Pierwszy zakres czstotliwoci jest z punktu widzenia zakłóce w kablu pod-łczonym do wyjcia falownika mało istotny, natomiast drugi generuje zjawiska niepodane wynikajce z ujawnienia si pojemnoci pasoytniczej kabla silnikowego i silnika indukcyjnego. Trzeci i ostatni zakres czstotliwoci odpowiada za emisj zakłóce elektromagnetycznych (na poziomie MHz) do otoczenia. Zakłócenia te rozchodz si swobodnie we wszystkich kierunkach. Kabel silnikowy w układzie z falownikiem PWM stanowi podstawowe ródło zakłóce elektro-magnetycznych całego układu automatyki maszyny. W silnikach znajdujcych si w pobliu, zasilanych z sieci napicia przemiennego indukuj si siły elektromotoryczne bdce ródłem prdów upływu płyncych w przewodach uziomowych. Konieczne jest wic stosowanie ekranowanych przewodów silnikowych spełniajcych wymagania emisji zakłóce według normy PN-EN 5511.

4 122 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/ ul1-l2(t) [V] i b. -. U [V] f [Hz] t [s] Rys. 5. Przebieg napicia na wyjciu falownika - i jego transformata Fouriera (bez podstawowej harmonicznej) - 6. Badania laboratoryjne 6.1. Wpływ ekranowanych kabli silnikowych na redukcj prdów łoyskowych Do bada laboratoryjnych wykorzystano silnik indukcyjny o danych: Typ: Sf132, U n =22/38 V, I n = 2,2/11,7 A, n n = 15 obr/min, cosϕ n =,8. Silnik ten zasilano z falownika PWM rónymi kablami celem okrelenia ich wpływu na warto prdów łoyskowych. Badania laboratoryjne wykazały, e skutecznym sposobem redukcji prdów łoyskowych jest zapewnienie odpowiedniego systemu okablowania silnika. Na rys. 6 i 7 przedstawiono przebiegi prdu ło- yskowego w przypadku zasilania silnika kablem ekranowanym w pełni symetrycznym, kablem nieekranowanym oraz przy zastosowaniu obu kabli jednoczenie. Dodatkowo na rys. 6 przedstawiono przebieg prdu łoyskowego dla le wykonanego uziemienia ekranu kabla. i b Rys. 6. Przebieg prdu łoyskowego przy zastosowaniu kabla ekranowanego przy: obustronnym uziemieniu ekranu kabla, jednostronnym uziemieniu ekranu kabla (przy falowniku) 2 i b i b t [µs] Rys. 7. Przebieg prdu łoyskowego: przy zasilaniu silnika kablem nieekranowanym, przy połczeniu odcinka kabla ekrano-wanego i nieekranowanego Z powyszych przebiegów wida, e aby ekran spełniał poprawnie swoj rol, konieczne jest i b i b t [µs]

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/ uziemienie go na obu kocach w celu umoliwienia przepływu prdu generowanego przez zjawiska polowe i pojemnoci pasoytnicze. Prd ten nazywany jest prdem ekranu (rys. 8) i pomniejsza emisj zakłóce elektromagnetycznych na zewntrz powierzchni wyznaczonej przez ekran. i e t [s] Rys. 8. Przebieg prdu ekranu W celu zapewnienia prawidłowego przepływu tego prdu konieczne jest takie podłczenie ekranu na obydwu kocach, które zapewnia kontakt elektryczny na całym obwodzie ekranu (36 o ). Złe wykonanie połczenie ekranu kabla z mas powoduje znaczny wzrost wartoci prdów łoyskowych, co jest zwizane z szybszym uszkodzeniem łoysk Wpływ zakłóce elekromagnetycznych na prac innych układów napdowych Stanowisko pomiarowe składało si z dwóch silników indukcyjnych, falownika PWM, dławika silnikowego oraz długich kabli zasilajcych ekranowanych w pełni symetrycznych i nieekranowanych (rys. 9). Rys. 9. Schemat układu pomiarowego Silnik B zasilany był z falownika przewodem o długoci 13m, natomiast silnik A bezporednio z sieci przewodem o długoci 2m. Oba przewody połoone s równolegle obok siebie na długoci L. Badania te polegały na rejestrowaniu prdu uziomu płyncego w przewodzie uziomowym silnika A przy powikszaniu odległoci d midzy przewodami oraz przy zastosowaniu dławika silnikowego za falownikiem i rónych kabli zasilajcych. Przedziały wystpowania maksymalnej wartoci prdu uziomu w zalenoci od konfiguracji układu zasilania przedstawiono w tabeli 1 i na rys. 1. Tabela 1. Zakres wystpowania maksymalnej wartoci prdu uziomu odległo d midzy przewodami m 2 m Kabel nieekranowany,2, A,15,3 A Kabel nieekranowany,,6 A,3,5 A + dławik silnikowy Kabel ekranowany,2,9 A,3,7 A Kabel ekranowany + dławik silnikowy,1,5 A,1,3 A Prd uziomu jest wynikiem istnienia nastpujcych sprze od zakłóce: sprzenie pojemno ciowe wytwarzane przez przewody obwodu zakłócajcego pole elektryczne wywołuje na drodze indukcji elektrycznej napicie w przewodach obwodu wraliwego, sprzenie indukcyjne - strumie magnetyczny wytworzony przez lini zakłócajc przenika czciowo przez ptle tworzone przez obwody układu zakłócanego, sprzenie poprzez wspóln gał prdow - gdy dwa lub wicej obwodów wykorzystuje ten sam przewód powrotny, sprzenie poprzez pole elektromagnetyczne. Jak wida z tabeli 1 w przypadku zastosowania kabla ekranowanego uzyskuje si znaczne ograniczenie wartoci prdu uziomu oraz ograniczenie sprze od zakłóce. i u i u Rys. 1. Przebieg prdu uziomu w przypadku kabli oddalonych na odległo d: m, 2 m 6.3. Przepicia na zaciskach silnika Jednym ze skutków zasilania silnika z falownika PWM s pojawiajce si przepicia na zaciskach silnika (rys. 11). S one wywołane głównie zjawiskiem powielenia napicia wyni-

6 12 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/25 kajcego z istniejcego niedopasowania impedancji linii oraz impedancji obcienia (silnik. t [s] Rys. 11. Przebieg napicia na zaciskach silnika zasilanego przewodem o długoci 1m u L1-L2 (t) [V] u L1-L2(t) [V] ul1-l2(t) [V] Rys. 12. Pojedynczy impuls napicia PWM na zaciskach silnika w przypadku zasilania silnika przewodem o długoci: 2m, 1m Przy zasilaniu długimi przewodami, napicie na zaciskach silnika moe osign podwojon warto napicia panujcego w obwodzie po- redniczcym napicia stałego przemiennika. W przypadku, gdy impedancja charakterystyczna obcienia jest wiksza ni impedancja linii to napicie i prd ulega odbiciu od obcienia w kierunku ródła zasilania (falownik. Wtedy na zaciskach silnika mona oczekiwa pojawienia si najwyszej wartoci szczytowej napicia. Napicie to jest równe sumie chwilowej warto- ci szczytowej napicia wysyłanego w kierunku silnika oraz odbitej wartoci napicia szczytowego. Ze wzgldu na wystpujce w kablu silnikowym wysze harmoniczne napicia, ju kable o długoci około 1 m naley traktowa jako linie długie, poniewa zachodz w nich zjawiska falowe. Na zaciskach silnika pojawiaj si przepicia o charakterze drga aperiodycznych, gasncych o czstotliwoci około 2 MHz. Na rys. 12 przestawiono pojedynczy impuls napicia PWM na zaciskach silnika zasilanego kablem o długoci 2 i 1 m. 7. Podsumowanie Zastosowanie falowników PWM pozwala na popraw własnoci maszyny indukcyjnej, ale powoduje take trudnoci z zapewnieniem kompatybilnoci elektromagnetycznej (EMC) układu napdowego. Wykorzystywanie falowników PWM do zasilania silników indukcyjnych powoduje, e problemy te stanowi aktualnie rozwijan tematyk badawcz. W silnikach indukcyjnych zasilanych z przemienników czstotliwoci płyn prdy łoyskowe powodujce erozj bieni łoysk, co w konsekwencji prowadzi po kilkuset godzinach pracy do uszkodzenia łoyska. Badania laboratoryjne wykazały, e zastosowanie ekranowanych i symetrycznych kabli do zasilania silnika ogranicza emisj zakłóce elektro-magnetycznych i ogranicza wartoci prdów łoyskowych. Na wielko tych prdów maj wpływ parametry obwodu komutacyjnego falownika i parametry silnika, przede wszystkim warto pojemnoci wewntrznych silnika. Dlatego znajomo ich wartoci ma zasadnicze znaczenie dla okrelenia wielkoci zjawisk ubocznych powstajcych w elementach konstrukcyjnych silników. Literatura [1].Glinka T., Kulesz B.: Wyładowania niezupełne w izolacji zwojowej silników indukcyjnych zasilanych z falowników PWN. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napdów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr. 9, 2 rok, ss [2].Krzemie Z.: Pomiary i analiza zjawisk ubocznych wystpujcych w silnikach indukcyjnych zasilanych z falowników PWM. Sympozjum PPEE 97, Ustro 1997, ss [3].Krzemie Z.: Prdy doziemne i łoyskowe wystpujce w silnikach indukcyjnych zasilanych z falowników PWM. VI Seminarium Techniczne, maj 1997, Ustro, ss Autor Mgr in. Piotr Zientek Katedra Maszyn i Urzdze Elektrycznych Politechniki lskiej ul. Akademicka 1a, -1 Gliwice tel: Piotr.Zientek@polsl.pl

7 125