HIGH FREQUENCY GROUND CURRENT FILTERS OF FREQUENCY CONVERTER DRIVES SYSTEMS SUPPLIED FROM UNGROUNDED POWER NETWORKS

Podobne dokumenty
Efektywność tłumienia zaburzeń doziemnych filtrów silnikowych LC w napędach z falownikami napięciowymi zasilanymi z sieci IT

ROZPŁYW ZABURZEŃ GENEROWANYCH PRZEZ CZTEROKWADRANTOWE PRZEMIENNIKI CZĘSTOTLIWOŚCI W SIECIACH LOKALNYCH NISKICH NAPIĘĆ

PL B1. POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL BUP 10/16. JAROSŁAW GUZIŃSKI, Gdańsk, PL PATRYK STRANKOWSKI, Kościerzyna, PL

Narażenia napięciowe silników indukcyjnych zasilanych z falowników napięcia

Zastosowanie dławika składowej zerowej w falownikowym napędzie silnika indukcyjnego

Zaburzenia napięcia w górniczych systemach zasilania powodowane prądami doziemnymi dużych częstotliwości

Badanie skuteczności ochrony łożysk przed skutkami przepływu prądów łożyskowych z zastosowaniem pierścieni zwierających

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 74/

METODY ELIMINACJI PRĄDÓW ŁOśYSKOWYCH I PRĄDU UZIOMU W UKŁADACH NAPĘDOWYCH ZASILANYCH Z FALOWNIKÓW PWM

WPŁYW RODZAJU ŹRÓDŁA ENERGII NA POZIOM ZABURZEŃ ELEKTROMAGNETYCZNYCH UKŁADU NAPĘDOWEGO Z SILNIKIEM IPM

BADANIE SKUTECZNOŚCI OCHRONY ŁOŻYSK PRZED SKUTKAMI PRZEPŁYWU PRĄDÓW ŁOŻYSKOWYCH Z ZASTOSOWANIEM PIERŚCIENI ZWIERAJĄCYCH

BADANIE SKUTECZNOŚCI OCHRONY ŁOŻYSK PRZED SKUTKAMI PRZEPŁYWU PRĄDÓW ŁOŻYSKOWYCH Z ZASTOSOWANIEM PIERŚCIENI ZWIERAJĄCYCH

15. UKŁADY POŁĄCZEŃ PRZEKŁADNIKÓW PRĄDOWYCH I NAPIĘCIOWYCH

WPŁYW PRZEKSZTAŁTNIKA NA MOC ZNAMIONOWĄ TRÓJFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO

WPŁYW PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI NA PRACĘ SILNIKÓW INDUKCYJNYCH W PODZIEMIACH KOPALŃ

Prądy łożyskowe w silnikach indukcyjnych zasilanych z falowników PWM

WPŁYW PRZEKSZTAŁTNIKA NA MOC ZNAMIONOWĄ TRÓJFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO POWER CONVERTER INFLUENCE ON THE NOMINAL POWER THREE PHASE INDUCTION MOTOR

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 78/

Sposoby poprawy jakości dostawy energii elektrycznej

Wojciech BERKAN Piotr MAZUREK Andrzej MICHALSKI Andrzej PYTLAK Henryk ŚWIĄTEK

JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ Odkształcenie napięć i pradów. Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki

Wnikanie do sieci rozdzielczych SN zaburzeń elektromagnetycznych przewodzonych generowanych przez przekształtniki energoelektroniczne w sieciach nn

PRZEMIENNIKI CZĘSTOTLIWOŚCI W DWUSIL- NIKOWYM NAPĘDZIE WAŁU TAŚMOCIĄGU PO- WIERZCHNIOWEGO

DWUKIERUNKOWY JEDNOFAZOWY SILNIK SYNCHRONICZNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Odbiorniki nieliniowe problemy, zagrożenia

OKREŚLENIE OBSZARÓW ENERGOOSZCZĘDNYCH W PRACY TRÓJFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO

JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ - PROCES ŁĄCZENIA BATERII KONDENSATORÓW

KOMPATYBILNOŚĆ ELEKTROMAGNETYCZNA W APLIKACJACH Z PRZETWORNICAMI CZĘSTOTLIWOŚCI - WYBRANE ZAGADNIENIA OGRANICZANIA ZAKŁÓCEŃ W OBWODACH ZASILANIA

WSPÓŁCZYNNIK MOCY I SPRAWNOŚĆ INDUKCYJNYCH SILNIKÓW JEDNOFAZOWYCH W WARUNKACH PRACY OPTYMALNEJ

MODERNIZACJA NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO WIRÓWKI DO TWAROGU TYPU DSC/1. Zbigniew Krzemiński, MMB Drives sp. z o.o.

Lekcja Układy sieci niskiego napięcia

Elektroniczne Systemy Przetwarzania Energii

Eliminacja wpływu napędów dużych mocy na sieć zasilającą

PL B1. Układ falownika obniżająco-podwyższającego zwłaszcza przeznaczonego do jednostopniowego przekształcania energii

Wykonanie prototypów filtrów i opracowanie ich dokumentacji technicznej

Lekcja 10. Temat: Moc odbiorników prądu stałego. Moc czynna, bierna i pozorna w obwodach prądu zmiennego.

KOMPATYBILNOŚĆ ELEKTROMAGNETYCZNA EMC

PRĄDY ŁOŻYSKOWE W SILNIKACH INDUKCYJNYCH DUŻEJ MOCY ZASILANYCH NAPIĘCIEM SIECIOWYM - BADANIA LABORATORYJNE

Uzupełnienie do instrukcji obsługi

PN-EN :2012

JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ Odkształcenie napięć i pradów

PASYWNE UKŁADY DOPASOWANIA IMPEDANCJI OBCIĄŻENIA INDUKCYJNIE NAGRZEWANEGO WSADU

SILNIK INDUKCYJNY STEROWANY Z WEKTOROWEGO FALOWNIKA NAPIĘCIA

Tematyka prac doktorskich 1. Bezczujnikowe sterowanie oraz estymacja parametrów maszyn wielofazowych zasilanych przekształtnikowo

ANALIZA WPŁYWU NIESYMETRII NAPIĘCIA SIECI NA OBCIĄŻALNOŚĆ TRÓJFAZOWYCH SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

PORÓWNANIE JEDNOFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO I JEDNOFAZOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI. BADANIA EKSPERYMENTALNE

SKŁADOWA ZEROWA PRĄDU W UKŁADZIE ELEKTROWNI WIATROWEJ Z GENERATOREM SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

LABORATORIUM PODSTAW ELEKTROTECHNIKI Badanie transformatora jednofazowego

PL B1. Sposób i układ tłumienia oscylacji filtra wejściowego w napędach z przekształtnikami impulsowymi lub falownikami napięcia

st. stacjonarne I st. inżynierskie, Energetyka Laboratorium Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki Ćwiczenie nr 4 OBWODY TRÓJFAZOWE

HARMONICZNE W PRĄDZIE ZASILAJĄCYM WYBRANE URZĄDZENIA MAŁEJ MOCY I ICH WPŁYW NA STRATY MOCY

Badanie dławikowej przetwornicy podwyŝszającej napięcie

falowniki JX - 5 Akcesoria strona - Wprowadzenie Opis komponentów...190

WPŁYW CZASÓW MARTWYCH NA PRACĘ PRZEKSZTAŁTNIKÓW DUśEJ MOCY NA PRZYKŁADZIE TYRYSTOROWEGO FALOWNIKA NAPIĘCIA O MOCY 1 MVA

PRZEKSZTAŁTNIKI ENERGOELEKTRONICZNE AC/DC/AC I AC/AC - UKŁADY TOPOLOGICZNE I STEROWANIE

EUROELEKTRA Ogólnopolska Olimpiada Wiedzy Elektrycznej i Elektronicznej Rok szkolny 2014/2015

Ochrona instalacji elektrycznych niskiego napięcia przed skutkami doziemień w sieciach wysokiego napięcia

PROBLEMY ŁĄCZENIA KONDENSATORÓW ENERGETYCZNYCH

Przesył Energii Elektrycznej i Technika Zabezpieczeniowa

JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ Odkształcenie napięć i pradów

PowerFlex 700AFE. Funkcja. Numery katalogowe. Produkty Napędy i aparatura rozruchowa Przemienniki czestotliwości PowerFlex PowerFlex serii 7

ZE ZWROTEM ENERGII DO SIECI

7 Dodatek II Ogólna teoria prądu przemiennego

UKŁADY NAPĘDOWE Z SILNIKAMI INDUKCYJNYMI STEROWANE METODAMI WEKTOROWYMI DFOC ORAZ DTC-SVM ODPORNE NA USZKODZENIA PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI

Sterowanie falownikami napięcia ograniczające prądy łożyskowe

STEROWANIE CZĘSTOTLIWOŚCIOWE SILNIKÓW INDUKCYJNYCH SYNCHRONIZOWANYCH

Kable do zasilania silników w napędach z przekształtnikami częstotliwości, cz.ii

Poznanie budowy, sposobu włączania i zastosowania oraz sprawdzenie działania wyłącznika różnicowoprądowego i silnikowego.

POPRAWA EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ UKŁADU NAPĘDOWEGO POMPY WODY ZASILAJĄCEJ DUŻEJ MOCY

Informacja dotycząca nastaw sygnalizatorów zwarć doziemnych i międzyfazowych serii SMZ stosowanych w sieciach kablowych SN.

PL B1. Sposób regulacji prędkości obrotowej silnika asynchronicznego zasilanego z falownika napięcia z filtrem silnikowym

ANALIZA HARMONICZNA PRĄDU W INSTALACJI Z LAMPAMI METALOHALOGENKOWYMI

falowniki JX - 10 CE-EMC Instalacja i podłączenie strona - Instalacja zgodna z wymogami CE-EMC Zalecenia odnośnie EMC...

Filtry wejściowe EMC. Tłumienność wyrażona w (db) = 20 log 10 (U2 / U1)

SILNIK SYNCHRONICZNY ŚREDNIEJ MOCY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI ZASILANY Z FALOWNIKA

NAPIĘCIE WAŁOWE W SILNIKU INDUKCYJNYM DUŻEJ MOCY Z IZOLOWANĄ KLATKĄ UZWOJENIA WIRNIKA

Obciążenia nieliniowe w sieciach rozdzielczych i ich skutki

MODEL SYMULACYJNY JEDNOFAZOWEGO PROSTOWNIKA DIODOWEGO Z MODULATOREM PRĄDU

NAPIĘCIA WAŁOWE I PRĄDY ŁOŻYSKOWE W SILNIKACH PRĄDU STAŁEGO DUŻEJ MOCY STOSOWANYCH W MASZYNACH WYCIĄGOWYCH

IMPULSOWY PRZEKSZTAŁTNIK ENERGII Z TRANZYSTOREM SZEREGOWYM

WIELOPOZIOMOWY FALOWNIK PRĄDU

dr inż. Paweł A. Mazurek Instytut Elektrotechniki i Elektrotechnologii Wydział Elektrotechniki i Informatyki Politechnika Lubelska Ul.

Część 2. Sterowanie fazowe

STANOWISKO DO BADANIA DŁAWIKÓW DLA NAPĘDÓW

DIAGNOSTYKA SILNIKA INDUKCYJNEGO Z ZASTOSOWANIEM SYGNAŁU SKUTECZNEJ WARTOŚCI RUCHOMEJ PRĄDU CZĘŚĆ 2 ZASILANIE NIESYMETRYCZNE

Pomiar indukcyjności.

Oddziaływanie przemienników częstotliwości na jakość energii elektrycznej w układzie potrzeb własnych elektrowni. Część I - Badania obiektowe

Autoreferat przedstawiający opis osiągnięć projektowych i naukowych

WPŁYW FILTRÓW WYJŚCIOWYCH NAPIĘCIOWYCH FALOWNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI NA PRACĘ SILNIKÓW INDUKCYJNYCH KLATKOWYCH

SKŁADOWA ZEROWA PRĄDU W UKŁADZIE ELEKTROWNI WIATROWEJ Z GENERATOREM SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Zespół Szkół Technicznych im. J. i J. Śniadeckich w Grudziądzu

PRĄDNICA TRÓJFAZOWA MAŁEJ MOCY WZBUDZANA MAGNESAMI TRWAŁYMI

Ćwiczenie 1 Badanie układów przekładników prądowych stosowanych w sieciach trójfazowych

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

W4. UKŁADY ZŁOŻONE I SPECJALNE PRZEKSZTAŁTNIKÓW SIECIOWYCH (AC/DC, AC/AC)

POMIAR NAPIĘCIA STAŁEGO PRZYRZĄDAMI ANALOGOWYMI I CYFROWYMI. Cel ćwiczenia. Program ćwiczenia

JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ Odkształcenie napięć i pradów. Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki

2.3. Bierne elementy regulacyjne rezystory, Rezystancja znamionowa Moc znamionowa, Napięcie graniczne Zależność rezystancji od napięcia

Automatyka Zabezpieczeniowa Urządzeń Górniczych

Transkrypt:

SZYMAŃSKI Jerzy 1 SZYMAŃSKI Bernard 2 JANKOWSKI Krzysztof 3 Dwupoziomowy przemiennik częstotliwości, napięcie zaburzeń wspólnych, prądy doziemne, bierny filtr silnikowy FILTRY PRĄDÓW DOZIEMNYCH W NAPĘDACH Z FALOWNIKAMI NAPIĘCIOWYMI ZASILANYMI Z SIECI NIEUZIEMIONYCH W artykule zawarto porównanie wybranych właściwości silnikowych filtrów pasywnych LC, ograniczających wysokoczęstotliwościowe prądy doziemne płynące przez pojemności pasoŝytnicze kabli silnikowych i silników. W badaniach oceniających efektywność filtracji prądów doziemnych uwzględniono takie kryteria jak: napięcie względem ziemi punktu neutralnego uzwojeń stojana silnika, oraz napięcie fazowe zasilania przemiennika częstotliwości. HIGH FREQUENCY GROUND CURRENT FILTERS OF FREQUENCY CONVERTER DRIVES SYSTEMS SUPPLIED FROM UNGROUNDED POWER NETWORKS In the article basic features comparison of different kinds of passive LC motor filters, utilized in order to reduce inverter s the differential and common voltage in the frequency converters drives, is presented. Filters examinations were prepared for non-grounded power supply of electrical drives (IT mains) where parasitic ground capacitances of a screened motor cable have significant value. Filters were compared under following criteria: voltage of stator windings neutral point to grounded motors cover, high frequency parasitic current in PE conductor, value of frequency converter phase-ground and value of motor phase-phase voltage. Examinations were made for unscreened and screened motor cables. 1 Adiunkt, Politechnika Radomska - Wydział Transportu i Elektrotechniki, j.szymanski@pr.radom.pl 2 Dział Badań i Rozwoju, ELPOL Centrum Elektroniki i Automatyki Sp. z o.o., bs@elpol.biz 3 Adiunkt, politechnik Radomska, Wydział Mechaniczny, k.jankowski@pr.radom.pl.

3734 Jerzy SZYMAŃSKI, Bernard SZYMAŃSKI, Krzysztof JANKOWSKI 1.WSTĘP Stosowanie dwupoziomowych trójfazowych falowników napięciowych z modulacją MSI niesie ze sobą wiele negatywnych konsekwencji, rys1 [19]. Falowniki napięciowe są generatorami trójfazowych napięć odkształconych i w konsekwencji napięcie punktu neutralnego (N ) uzwojeń stojana zasilanego silnika indukcyjnego nie jest równe zeru, gdyŝ suma napięć fazowych falownika jest róŝna od zera rys. 2. Napięcia fazowe falownika mogą być tutaj definiowane jako: u UN, u VN, u WN lub u UN, u VN, u WN lub u UN, u VN, u WN. Rys. 1. Obwód mocy komercyjnego przemysłowego trójfazowego przemiennika częstotliwości z dwupoziomowym falownikiem napięciowym MSI i silnikiem indukcyjnym. Impulsowe przebiegi napięć fazowych powodują, Ŝe ich suma ma wartość chwilową róŝną od zera, i przebieg napięcia, tzw. zaburzeń wspólnych CM moŝna opisać moŝna zapisać w postaci nieskończonych szeregów harmonicznych zaleŝnością (1): u u + uvn 3 + u 4V DC = 3π UN ' ' WN ' CMfal = m= 1 n= n 0 2π 1+ 2cos n cos( mωct + mω0t). 3 1 J m n π m M sin 2 ( m + n) π 2 (1) gdzie: J n funkcja Bessela n-tego rzędu, M głębokość modulacji, V DC połowa napięcia obwodu DC (V DC =0,5E), m rząd harmonicznej częstotliwości wyjściowej falownika, n rząd harmonicznej częstotliwości nośnej. Napięcie zaburzeń wspólnych CM moŝe mieć wiele negatywnych konsekwencji dla układu napędowego. Napięcie CM pomiędzy wałem silnika i łoŝyskami, powoduje przepływ wysokoczęstotliwościowego prądu, który moŝe zniszczyć łoŝyska [6], [16]. Jeśli silnik jest uziemiony wspólnie z innymi wraŝliwymi odbiornikami to wskutek zaburzenia potencjału uziemienia, moŝe prowadzić to do zakłóceń w pracy tych odbiorników [7].

FILTRY PRĄDÓW DOZIEMNYCH W NAPĘDACH Z FALOWNIKAMI 3735 Ponadto przepływ wysokoczęstotliwościowego prądu zaburzeń CM od instalacji ochronnej, przez doziemne pojemności pasoŝytnicze układu zasilania do obwodu DC zasilania falownika zakłóca pracę czujników prądów zwarć doziemnych. Prowadzone są badania efektywności róŝnych konfiguracji silnikowych filtrów pasywnych i aktywnych eliminujących nadmierny poziom zaburzeń doziemnych powodowanych falownikami w napędach zasilanych z sieci uziemionych [17], [18], [19]. Autorzy zaproponowali zastosowanie wybranych rodzajów filtrów LC i przeprowadzili weryfikację ich skuteczności w napędach z falownikami napięciowymi zasilanych sieciami nieuziemionymi, typu IT [20]. 2. BADANIA PORÓWNAWCZE FILTRÓW SILNIKOWYCH LC W nieuziemionych układach zasilania, o układzie sieciowym IT, przepływ wysokoczęstotliwościowych prądów doziemnych z filtra LC typu DM-CM do wejść zasilania przemiennika częstotliwości, uniemoŝliwia pracę napędu przy wystąpieniu pojedynczego zwarcia doziemnego tak po stronie zasilania przemiennika częstotliwości jak i silnika. Metody wykrywania zwarć doziemnych w napędach przekształtnikowych zasilanych z sieci IT nie są przedmiotem tego artykułu [26]. Rys.5. Układ napędowy z filtrem LC do ograniczania zaburzeń DM i CM z obwodem zamykania prądów doziemnych przez wejścia zasilania przemiennika częstotliwości [25]. W sieciach izolowanych układ napędowy z rys.5 moŝe być powszechnie wykorzystywany gdyŝ umoŝliwia zamknięcie prądów zaburzających CM bez ingerowania w strukturę wewnętrzną przemiennika częstotliwości. Zaburzenia wysokoczęstotliwościowe tak wg, rys.5 zostają zamknięte w układzie przemiennik częstotliwości filtr LC i nie przepływają przez pozostałe elementy systemu zasilania napędu. Celem badań jest określenie skuteczności filtracji zaburzeń CM zastosowanych filtrów LC. NaleŜy zwrócić uwagę, Ŝe przy nieobciąŝonym przemienniku częstotliwości moŝe nastąpić niepoŝądany wzrost napięcia w jego obwodzie DC, dlatego przy stosowaniu filtracji napięcia zaburzeń wspólnych przemiennik częstotliwości powinien być obciąŝony lub bateria kondensatorów obwodu DC musi być rozładowywana przy przekroczeniu dopuszczalnej wartości napięcia, np. przerywaczem prądu odciąŝonym rezystorem mocy. 2.1 Dolnoprzepustowy filtr LC dla napięcia zaburzeń typu DM Standardowy filtr zaburzeń typu DM zawiera 3-fazowy dławik 3xL sin oraz kondensatory 3xC sin włączone pomiędzy fazy. Ten typ filtra ma mały wpływ na zakłócenia typu CM, rys.6.

3736 Jerzy SZYMAŃSKI, Bernard SZYMAŃSKI, Krzysztof JANKOWSKI Dla filtra trójfazowego o parametrach I n = 16A/400V o dławiku powodującym 5% spadek napięcia harmonicznej podstawowej (50Hz) zasilania silnika oraz częstotliwości nośnej modulacji MSI falownika f n = 4kHz, naleŝy dobrać L sin i C sin o wartościach według zaleŝności (2). L C sin sin U = ω I h1 1 = k 2 ω L fn n 20V = = 4mH 2π 50Hz 16A sin 1 = 10 (2π 4kHz) 2 4mH = 4,0µ F (2) Rys.6. Standardowy filtr LC typ DM stosowany do uzyskiwania sinusoidalnego napięcia międzyfazowego zasilania silnika. 2.2 Dolnoprzepustowy filtr LC dla napięcia zaburzeń typu DM-CM z pierścieniami ferrytowymi W filtrze zastosowano dodatkowe trzy indukcyjności 3xL com, które są nawinięte na jeden rdzeń magnetyczny, rys.7. Pozwalają one na indukcyjne tłumienie prądu zaburzeń CM, głównie w paśmie częstotliwości radiowych ok. 150kHz 30MHz, gdzie impedancja dławika L com jest większa od 1kΩ [9], [21], [22], [23]. W rozwiązaniach przemysłowych stosuje się kilka pierścieni ferromagnetycznych (np. 4 pierścieniowe rdzenie magnesu neodymowego) przez które są przewleczone Ŝyły fazowe kabla silnikowego. Filtr LC z indukcyjnościami do tłumienia zaburzeń wspólnych przedstawiono na rys. 7. Działanie dławików L com polega na zmniejszeniu stromości narastania impulsów prądowych i zmniejszeniu ich wartości maksymalnej. Wartości indukcyjności dławików L com w postaci pierścieni z magnesów stałych (np. magnesy neodymowe) zwykle wynoszą kilka µf i znajdują zastosowanie głównie jako komponenty filtrów radioelektrycznych.

FILTRY PRĄDÓW DOZIEMNYCH W NAPĘDACH Z FALOWNIKAMI 3737 Rys.7. Standardowy filtr LC typ DM stosowany do uzyskiwania sinusoidalnego napięcia międzyfazowego zasilania silnika z dodatkowymi indukcyjnościami 3xL com do tłumienia zaburzeń CM w paśmie radiowym. 2.3 Dolnoprzepustowy filtr LC dla zaburzeń typu DM-CM z kondensatorem sprzęgającym Filtr dolnoprzepustowy dla zaburzeń typu DM-CM przedstawiony na rys.8, posiada dodatkowy kondensator włączony pomiędzy kondensatory tłumienia zaburzeń DM oraz wejściowy filtr pojemnościowy (np.3x2µf) (rys. 5). Filtr ten ogranicza zakłócenia typu DM i CM. Filtr uniemoŝliwia przepływ doziemnych prądów zaburzających przez pojemności pasoŝytnicze kabla zasilania silnika i samego silnika [8], [10], [11]. Ponadto prądy zaburzeń wspólnych CM nie przepływają teŝ przez doziemne pojemności pasoŝytnicze transformatora zasilającego przemiennik częstotliwości. Nie występują wtedy zaburzenia fazowych napięć zasilania przemiennika częstotliwości. Taki filtr cechuje się duŝą skutecznością ograniczania zaburzeń wspólnych CM w sieciach IT. W przemysłowych rozwiązaniach moŝna spotkać bezpośrednie połączenie pojemności sprzęgającej C ZK bezpośrednio do przewodu ochronnego PE i nie ma wówczas wydzielonego przewodu dla prądów zaburzeń wspólnych CM. Rys.8. Standardowy filtr LC typ DM stosowany do uzyskiwania sinusoidalnego napięcia międzyfazowego zasilania silnika z dodatkowymi indukcyjnościami 3xL com do tłumienia zaburzeń CM i pojemnością sprzęgającą C ZK

3738 Jerzy SZYMAŃSKI, Bernard SZYMAŃSKI, Krzysztof JANKOWSKI 3. REZULTATY BADAŃ W badaniach uŝywano przemiennikowy układ napędowy przedstawiony na rys.5 stosując omówione wcześniej filtry pasywne LC. UŜyty był przemiennik częstotliwości o mocy 2,2kW bez filtrów wewnętrznych. Częstotliwość przełączania wynosiła f n = 4,5kHz przy harmonicznej podstawowej międzyfazowego napięcia wyjściowego falownika 400V/50Hz (współczynnik głębokości modulacji M=1). UŜyty silnik o mocy 2,2kW bez izolowanych łoŝysk na wale. UŜyty w badaniach filtr LC typ DM jest filtrem standardowym o I N = 16A dla częstotliwości f n = 4kHz-6kHz. Zmierzone pasoŝytnicze pojemności doziemne na wejściach zasilania przemiennika częstotliwości wynosiły 4-6nF. Sieć zasilająca typu IT zbudowana z zastosowaniem transformatora separującego 10kVA. Wejściowy filtr pojemnościowy jak na rys.5 został wykonany poprzez włączenie kondensatorów 3x1µF między napięcia fazowe transformatora separującego a punkt gwiazdowy filtra był dołączany do przewodu C N -Z K. Kabel silnikowy nieekranowany 4x4mm 2, długość 10mb. Pojemności międzyprzewodowe i doziemne na zaciskach silnika wynoszą 4-6nF. Dla określenia wpływu ekranowanego kabla silnikowego o duŝym przekroju uŝyto dodatkowych kondensatorów dołączonych do zacisków silnika o wartościach: 3x19nF pojemności międzyprzewodowe, 3x32nF pojemności doziemne. Odpowiadają one parametrom ekranowanego kabla silnikowego 4x50mm 2 /100mb [24]. Badania dla układów z silnikowymi filtrami LC przeprowadzono dla kabla silnikowego nieekranowanego (N) i ekranowanego kabla silnikowego (E) w konfiguracji: 1-bez filtra, 2-dławik silnikowy (rys.6 filtr LC typ DM bez kondensatorów), 3-filtr LC typ DM (rys.6), 4-filtr LC DM-CM-WE (rys.5 i rys.8, C ZK =10µF). 3.1 Napięcie względem ziemi punktu neutralnego uzwojeń stojana silnika UN''-PE[V] 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 70 180 70 180 70 180 20 60 15 45 50 50 20 15 5 15 RMS [V] Ampit. [V] N-bez filtra N- DM N-DM-CM-WE E-bez filtra E-DM E-DM-CM-WE Rys.10. Wykres zaleŝności napięcia między punktem neutralnym uzwojeń stojana silnika i uziemioną obudową silnika U N - PE.dla nieekraowanego (N) i ekranowanego (E) kabla silnikowego.

FILTRY PRĄDÓW DOZIEMNYCH W NAPĘDACH Z FALOWNIKAMI 3739 Pomiar napięcia zaburzeń wspólnych między punktem neutralnym uzwojeń stojana połączonych w gwiazdę i uziemionym korpusem silnika wskazuje, Ŝe filtry pasywne LC, z połączonym kondensatorem sprzęgającym C ZK do wejściowego przez filtr pojemnościowy, pozwalają na największe zmniejszenie napięcia zaburzeń CM w silniku, rys.10. Same dławiki silnikowe nie wpływają na zmniejszenie napięcia między uziemionym korpusem silnika i punktem neutralnym uzwojeń stojana, co wpływa negatywnie na prace łoŝysk wału silnika, gdyŝ nie występuje tu zmniejszenie wartości prądu łoŝyskowego. Filtry ograniczające napięcie zaburzeń CM silnika ograniczają jednocześnie prąd doziemny przepływający przez doziemne pojemności pasoŝytnicze kabla silnikowego. Najkorzystniejsze właściwości ma filtr LC typ DM-CM wg konfiguracji z rys.5, gdyŝ zapewnia drogę przepływu prądów pasoŝytniczych poza przewodem ochronnym PE, a tym samym napęd moŝe pracować przy wystąpieniu pojedynczego zwarcia doziemnego. 3.2 Fazowe napięcia zasilania przemiennika częstotliwości u_faz-pe[v] 600 500 400 300 200 240 440 240 440 240 440 230 360 260 500 260 540 260 540 240 400 RMS [A] 100 Amplit. 0 N-bez filtra N- DM N-DM-CM-WE E-bez filtra E-DM E-DM-CM-WE Rys.12. Wykres zaleŝności fazowego napięcia zasilania przemiennika częstotliwości przy dla nieekranowanym (N) i ekranowanym (E) kablu silnikowym ( sieć IT - 3x400V/50Hz) Doziemne pojemności pasoŝytnicze powodują powstawanie wysokoczęstotliwościowych prądów w instancji ochronnej napędu z przemiennikiem częstotliwości. DuŜe pojemności doziemne silnikowych kabli ekranowanych powodują, Ŝe duŝa część napięcia zaburzeń wspólnych odkłada się na relatywnie mniejszych pojemnościach doziemnych po stronie zasilania przemiennika częstotliwości. Powoduje to przesuwanie się względem ziemi nieuziemionego punktu neutralnego uzwojenia wtórnego transformatora. Do napięcia fazowego transformatora dodaje się odwrócone napięcie zaburzeń wspólnych, co zwiększa wartość skuteczną fazowych napięć zasilania przemiennika częstotliwości. Badane pasywne filtry LC typu DM-CM skutecznie ograniczają wartości maksymalne fazowych napięć zasilania przemiennika częstotliwości przybliŝając ich kształt do przebiegu sinusoidalnego (230V/50Hz), rys.12. Ich stosowanie wydaje się być szczególnie uzasadnione w napędach większych mocy z ekranowanymi kablami silnikowymi.

3740 Jerzy SZYMAŃSKI, Bernard SZYMAŃSKI, Krzysztof JANKOWSKI 3.3 Napięcie międzyfazowe silnika zasilanego z przemiennika częstotliwości Stwierdzono, Ŝe istotnym mankamentem stosowania filtrów pasywnych napięcia zaburzeń wspólnych DM i CM jest obniŝenie międzyfazowego napięcia zasilania silnika, rys.13. Przy nominalnym obciąŝeniu silnika następuje obniŝenie jego napięcia zasilania o ok. 15%, zarówno przy stosowaniu kabli silnikowych nieekranowanych jak i ekranowanych (rys.13). Aby zminimalizować skutki pracy filtra LC naleŝy dokonać powiększenia tego napięcia poprzez zastosowanie przemodelowania w algorytmie modulacji falownika MSI. 900 800 790 700 u(f-f)[v] 600 500 400 300 200 400 550 380 550 340 550 340 550 400 545 390 340 540 340 550 RMS [ma] Peak [ma] 100 0 N-bez filtra N- N-DM-CM-WE E-bez filtra E-DM E-DM-CM-WE Rys.13. Wykres zaleŝności napięcia międzyfazowego silnika od rodzaju filtra LC dla nieekranowanego (N) i ekranowanego (E) kabla silnikowego. 4. WNIOSKI W artykule porównano wybrane właściwości pasywnych filtrów silnikowych LC stosowanych w napędach z napięciowymi przemiennikami częstotliwości. W szczególności badano skuteczność filtrów LC w górniczych układach zasilania, o układzie sieciowym typu IT. Badano filtr LC do redukcji napięcia zaburzeń róŝnicowych DM i filtr LC do redukcji napięcia zaburzeń wspólnych CM, które są instalowane między falownikiem napięciowym i silnikiem. Filtr pasywny LC typ DM-CM włączony w układzie z rys.4 okazał się najkorzystniejszym rozwiązaniem. Stosowanie takiej konfiguracji umoŝliwia pracę napędu przy pojedynczym zwarciu doziemnym, tak po stronie zasilania jak i silnika. Badane filtry pasywne LC typu DM-CM skutecznie ograniczają, napięcie zaburzeń wspólnych silnika, prądy pasoŝytnicze w przewodzie ochronnym PE i odkształcenia fazowych napięć zasilania przemiennika częstotliwości. Istotną cechą niekorzystną filtrów pasywnych LC typ DM-CM jest 15% zmniejszenie międzyfazowego napięcia zasilania silnika niezaleŝnie od jego obciąŝenia, co w warunkach przemysłowych naleŝy kompensować nadmodulacją falownika MSI. Autorzy wykorzystali omówione w referacie metody ograniczania wpływu napięcia zaburzeń wspólnych na wartości maksymalne napięć zasilania przemienników częstotliwości duŝy mocy (450kW/500V) w stacjach zasilania silników głównych

FILTRY PRĄDÓW DOZIEMNYCH W NAPĘDACH Z FALOWNIKAMI 3741 przenośników taśmowych o regulowanej prędkości taśmy [25]. Zastosowane rozwiązanie wpłynęło na zmniejszenie awaryjność przemienników częstotliwości. Ponadto zwiększyła się niezawodność urządzeń elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej zainstalowanej w kontenerowej stacji napędowej, w której całkowita moc napędów przekształtnikowych wynosiła blisko 2MVA. 5. BIBLIOGRAFIA [1] VON JOUANNE, A. and ENJETI, P. Design considerations for an inverter output filter to mitigate the effects of long motor leads in ASD applications. Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1996. APEC 96. Conference Proceedings 1996., Eleventh Annual,1996. [2] HUPPUNEN, J. Sine wave filter for PWM inverter driven medium speed solid-rotor induction motors. 1999. [3] MACDONALD, D. and GRAY, W. A practical guide to understanding bearing damage related to PWM drives. Pulp and Paper Industry Technical Conference, 1998. Conference Record of 1998 Annual, 1998. [4] KEMPSKI, A.; SMOLENSKI, R.; and STRZELECKI, R. Common mode current paths and their modeling in PWM inverter-fed drives. Power Electronics Specialists Conference, 2002. pesc 02. 2002 IEEE 33rd Annual, 2002. [5] CHEN, S.; LIPO, T.; and FITZGERALD, D. Modeling of motor bearing currents in PWM inverter drives. Industry Applications, IEEE Transactions on, 1996. [6] BUSSE, D.; ERDMAN, J.; KERKMAN, R.; SCHLEGEL, D.; and SKIBINSKI, G. The effects of PWM voltage source inverters on the mechanical performance of rolling bearings. Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1996. APEC 96. Conference Proceedings 1996., Eleventh Annual, 1996. [7] SKIBINSKI, G.; KERKMAN, R.; and SCHLEGEL, D. EMI emissions of modern PWM AC drives. Industry Applications Magazine, IEEE, 1999. [8] CHEN, S.; LIPO, T.; and FITZGERALD, D. Source of induction motor bearing currents caused by PWM inverters. Energy Conversion, IEEE Transaction on, 1996. [9] AG, S. DE 295 06 951 U, 1995. Deutsches Gebrauchsmuster. [10] ZHONG, E. and LIPO, T. Improvements in EMC performance of inverter-fed motor drives. Industry Applications, IEEE Transactions on, 1995. [11] HUPPUNEN, J. and PYRHONEN, J. Filtered PWM-inverter drive for high-speed solid-rotor induction motors. Industry Applications Conference, 2000. Conference Record of the 2000 IEEE, 2000. [12] CHEN, X.; XU, D.; LIU, F.; and ZHANG, J. A Novel Inverter-Output Passive Filter for Reducing Both Differential- and Common-Mode dv/dt at the Motor Terminals in PWM Drive Systems. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2007. [13] AKAGI, H. and TAMURA, S. A Passive EMI Filter for Eliminating Both Bearing Current and Ground Leakage Current From an Inverter-Driven Motor. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2006. [14] RENDUSARA, D. and ENJETI, P. An improved inverter output filter configuration reduces common and differential modes dv/dt at the motor terminals in PWM drive systems. Power Electronics, IEEE Transactions on, 1998.

3742 Jerzy SZYMAŃSKI, Bernard SZYMAŃSKI, Krzysztof JANKOWSKI [15] SWAMY, M. and KUME, T. Common-mode current attenuation techniques for use with PWM drives. Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1999. APEC 99. Fourteenth Annual, 1999. [16] BINDER, A. Abschlussbericht: Elektrische Lagerbeanspruchung bei umrichtergespeisten Maschinen. Tech. rep., TU Darmstadt, 2003. [17] KAMPEN, D. and PARSPOUR, N. and BEYER, S. and LAUDAHN, S. Efficiency of Motor Side Common Mode (CM) Filtering Techniques for PWM Inverters. PCIM - Nuremberg, Germany, 2009 [18] HONGFEI, M. and DIANGUO, X. LIJIE, M. Suppression Techniques of Common- Mode Voltage Generated by Voltage Source PWM Inverter. Power Electronics and Motion Control Conference, IPEMC, IEEE Transactions on, 2004. [19] SWAMY, M. and KUME, T. Present state and futuristic vision of motor drive technology. Optimization of Electrical and Electronic Equipment, IEEE Transactions on, 2008. OPTIM 2008. [20] SZYMANSKI, J. Stosowanie filtrów EMC w sieciach IT zasilających napędy z napięciowymi przemiennikami częstotliwości (eng. EMC filters usage in IT mines with voltage frequency converters). elektro.info, Nr 12, 2008, www.elektro.info.pl [21] Muetze, A. Scaling Issues for Common Mode Chokes to Mitigate Ground Currents in Inverter- Based Drive Systems. IEEE Industrial Applications Society 40th Annual Meeting, Hong Kong, October 2-6, 2005 [22] MAGNETIC Magnet-Technologie, COOL BLUE, PB-CB,Magnetic Gmbh, 2009 [23] VAC Vacuumschmelze specification Item Nr T60405-S6123-X163, 2011 [24] HELUKABEL, katalog Kable i przewody 2009/2010, www.helukabel.pl 2011 [25] SZYMANSKI, J. Zgłoszenie patentowe nr P.394803 - Filtr napięcia zaburzeń wspólnych napięciowych elektronicznych przetwornic częstotliwości zasilanych z trójfazowej sieci nieuziemionej typu IT, 2011 [26] RODRIGUEZ-Valdez C.D., Kerkman R.J. Method to detect line-to-ground faults in high-resistance-ground networks. Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2010 IEEE, Atlanta, GA-USA, 12-16 Sept. 2010