Prídavné komponenty frekvenčného meniča

Frekvenčný menič pri prevádzke vplýva na svoje okolie, predovšetkým vyžarovaním rušenia do napájacej siete a motora. Preto vyžaduje viac prostriedkov na potlačenie týchto nepriaznivých javov ako jednosmerný pohon. Prehľad komponentov pridávaných k frekvenčným meničom je na obr. 42. Niektoré z komponentov sú nevyhnutné, iné sú voliteľným doplnkom. Začneme s tými, ktoré sú umiestnené na strane motora.

Prídavné komponenty na strane motora

Striedače vo frekvenčných meničoch sú osadené tranzistormi IGBT, ktoré umožňujú veľmi rýchle spínanie. Rýchle spínanie znižuje spínacie straty a dovoľuje meniču pracovať s vyššou spínacou frekvenciou. Výstupné napätie meniča vytvárajú obdĺžniky napätia s premenlivou šírkou (tzv. šírkovo-impulzová modulácia, angl. Pulse Width Modulation – PWM). Napriek napájaniu obdĺžnikovými impulzmi je prúd indukčnosťou vinutia motora čiastočne vyhladený a blíži sa sínusovému priebehu (obr. 43). Oscilácie momentu a prídavné straty na vinutí motora od vyšších harmonických prúdov tak zostávajú relatívne nízke.

Rýchle spínanie však spôsobuje aj nežiaduce javy.

  • Pri spínaní tranzistorov v striedači sa na kábel k motoru pripájajú pravouhlé napäťové impulzy s amplitúdou napätia medziobvodu UDC s periódou úmernou spínacej frekvencii (obr. 43). Kábel má vlastnú kapacitu, ktorej veľkosť rastie s jeho dĺžkou a prierezom. Pri zopnutí tranzistora sa kapacita kábla nabíja prúdom, ktorý sa superponuje na okamžitý prúd motora (obr. 44). Vznikajú tak prídavné prúdové špice, ktoré síce po cca 1 µs zaniknú, ale môžu spôsobiť vypnutie meniča z dôvodu nadprúdu. Amplitúda kapacitného prúdu je tým vyššia, čím je kapacita kábla väčšia.
  • Tranzistory IGBT majú dobu zopnutia asi 0,1 µs. Pri pripojení napätia medziobvodu na motor tak dochádza k rýchlej zmene napätia (du/dt), ktorá sa podľa veľkosti napätia UDC pohybuje v rozsahu 5 ÷ 10 kV/µs. Rýchle zmeny napätia vyvolávajú napäťové vlny, ktoré sa káblom šíria rýchlosťou 150 m/µs. Kábel sa pre tieto rýchle zmeny správa k motoru ako vedenie s rozloženými parametrami. Na koncoch kábla dochádza k opakovaným odrazom od motora a meniča, pričom vznikajú nežiaduce napäťové špice (obr. 45).

Vinutie motora je tak okrem obdĺžnikových impulzov s amplitúdou napätia UDC = 1,35 x US namáhané aj špicami, ktoré pri plnom zaťažení dosahujú hodnotu 2,6 x US. Ak pri brzdení pohonu (dlhodobom alebo krátkodobom) dochádza k zvýšeniu napätia medziobvodu, dosiahnu napäťové špice na motore ešte vyššie hodnoty (cca 3,7 x US) [1]. K vzniku vlny s plným napätím dochádza už pri kábloch dlhších ako 7,5 m. Krátke káble majú vyššie hodnoty du/dt, pričom špičkové napätie je nižšie, pri dlhých kábloch (viac ako 100 m) je to naopak. Napäťová vlna v kábli zanikne asi za 1 µs, no aj tak spôsobuje zvýšené namáhanie izolácie vinutia motora.

Pojem dlhý kábel, ktorý sa vyskytuje v predchádzajúcom texte, nie je presne definovaný. Orientačne platí, že o dlhom kábli hovoríme, ak je jeho dĺžka pri netienených kábloch väčšia ako cca 100 m. Pri tienených kábloch je táto dĺžka asi o tretinu menšia. Faktory, ktoré výrazne ovplyvňujú maximálnu dovolenú dĺžku motorového kábla, sú veľkosť napájacieho napätia meniča, pomer menovitého prúdu meniča a menovitého prúdu motora, prierez kábla a maximálny zaťažovací prúd. Dovolenú maximálnu dĺžku kábla tak môžeme mierne zväčšiť, ak:

  • menič nie je napájaný napätím na hornej hranici napäťového rozsahu (napr. 480 V pri 400 V meničoch), vďaka čomu sa zníži hodnota du/dt,
  • menovitý prúd motora je menší než menovitý prúd meniča, nakoľko menší motor má vyššiu rozptylovú indukčnosť,
  • použijeme kábel s menším prierezom, pretože taký má menšiu kapacitu, vyšší odpor, a teda lepšie tlmenie,
  • nie je využívané preťažovanie meniča.

Najjednoduchším spôsobom, ako obmedziť nepriaznivý účinok uvedených javov, je skrátenie kábla k motoru. Napr. pri skupinovom pohone, keď sa z jedného striedača napája viac motorov, sa do celkovej dĺžky kábla započítava dĺžka všetkých paralelne vedených káblov od meniča k motorom. V tomto prípade je preto výhodnejšie viesť jeden spoločný kábel a rozdeliť ho až tesne pri motoroch.

Ďalšou možnosťou, ako obmedziť uvedené nepriaznivé javy a zväčšiť dovolenú dĺžku kábla, je zaradiť na výstup zo striedača výstupnú tlmivku, filter du/dt alebo sínusový filter (obr. 42).

Výstupná tlmivka obmedzuje kapacitné prúdy pri napájaní motora po dlhom kábli a redukuje du/dt na svorkách motora asi o 10 %. Nie je však schopná redukovať napäťové špice od odrazov na kábli. Použitie tlmivky vyžaduje obmedzenie maximálnej výstupnej aj modulačnej frekvencie meniča. Výstupná tlmivka znižuje napätie na motore o 1 % a umožňuje predĺžiť maximálnu dovolenú dĺžku kábla cca trojnásobne. Tlmivky možno radiť aj do série (maximálne tri), čím sa dovolená dĺžka kábla zväčšuje.

Filter du/dt znižuje hodnotu du/dt na maximálne 0,5 kV/µs, pričom sa výrazne redukujú aj kapacitné prúdy. Okrem toho dochádza k obmedzeniu napäťových špičiek spôsobených odrazmi na kábli k motoru, ktoré pri bežnej prevádzke potom dosahujú len 1,76 x US. Nakoľko filter du/dt je ladený, aj pri jeho použití býva obmedzená výstupná a modulačná frekvencia meniča. Pri niektorých typoch filtra je časovo obmedzená prevádzka pri frekvencii menšej ako 10 Hz. Niektorí výrobcovia dovoľujú kombinovať filter du/dt s jednou alebo dvomi výstupnými tlmivkami.

Sínusový filter predstavuje najkomplexnejšiu, ale aj najdrahšiu ochranu motora a meniča. Je to LC filter ladený na určitú frekvenciu (cca 2,5 až 4 kHz). Z toho dôvodu musí byť aj modulačná frekvencia meniča nastavená na rovnakú hodnotu. Úlohou filtra je vyhladiť napätie zložené z pravouhlých impulzov na sínusový tvar, takže motor aj vedenie k nemu sú napájané temer sínusovým napätím a prúdom (obr. 46). Filter redukuje špičky kapacitných prúdov pri napájaní motora po dlhom kábli, redukuje strmosť du/dt na svorkách motora na menej ako 50 V/µs a bráni vzniku napäťových špičiek na svorkách motora v dôsledku odrazov na vedení k motoru. Vďaka temer sínusovému prúdu motora dochádza k redukcii prídavných strát a hluku motora. Menič so sínusovým filtrom na druhej strane dáva znížené napätie (85 ÷ 90 % US), na čo treba pamätať pri dimenzovaní pohonu. Na prívodné vedenie k motoru musia byť použité káble predpísaného typu a dĺžky, ináč môže dôjsť k rezonancii v obvode a k preťaženiu filtra. Pri veľmi dlhých kábloch je nasadenie sínusového filtra nevyhnutné. Sínusový filter sa takisto musí používať v prípadoch, keď sa medzi striedač a motor zaraďuje transformátor.

V prípade zaradenia tlmivky a/alebo filtrov na výstup meniča platí, že na presné stanovenie dovolenej dĺžky kábla, ako aj ich dovolené kombinácie je nutné využiť dokumentáciu k meniču, príp. inžinierske manuály, kde býva uvedený postup výpočtu (napr. [1], [2]).

Použitie tieneného motorového kábla

Každá zmena (hrana) obdĺžnikového výstupného napätia meniča generuje krátky prúdový impulz. Tento vysokofrekvenčný (vf) kapacitný prúd pri netienených kábloch tečie cez parazitné kapacity kábla a vinutia motora do uzemnenia a uzatvára sa cez impedanciu uzemnenia a paralelnú kombináciu impedancie zdroja a parazitnú kapacitu transformátora späť do meniča. Na impedanciách uzemnenia a zdroja sa pritom generuje rušenie, ktoré vplýva na ostatné zariadenia pripojené k transformátoru (obr. 47). Výrobcovia frekvenčných meničov preto odporúčajú používať na spojenie meniča s napájaným motorom tienený kábel. Pri jeho použití sa vf kapacitný prúd uzatvára cez tienenie kábla a sieťový filter v meniči, takže rušivé napätie na impedancii uzemnenia a na transformátore je minimálne (obr. 48). Na druhej strane, tienený kábel má väčšiu kapacitu než netienený kábel rovnakej dĺžky, preto je jeho maximálna dovolená dĺžka asi o tretinu menšia ako pri použití netieneného kábla.

Aby bolo použitie tieneného kábla účinné, je nutné zachovať niektoré zásady. Pri väčšom výkone je optimálne použiť tienený trojfázový kábel so symetricky umiestnenými PE žilami, napr. typ EMV-FC 2XSLCY (obr. 49). Usporiadanie žíl v kábli je na obr. 50 vľavo. Pri menšom výkone možno použiť tienený trojfázový vodič s integrovaným alebo samostatne vedeným PE vodičom (obr. 50 vpravo a v strede).

Vysokofrekvenčné prúdy sa šíria po vonkajšej strane tienenia kábla. Preto musí byť uchytenie kábla k svorkovnici motora a k meniču urobené tak, aby bolo tienenie kábla po čo najväčšom obvode spojené s kovovým krytom svorkovnice motora, resp. s uzemňovacím systémom meniča. Na to sa používajú špeciálne priechodky, resp. svorky.

Ložiskové prúdy

Ďalším nepriaznivým následkom rýchleho spínania IGBT tranzistorov sú ložiskové prúdy. Javy, ktoré spôsobujú ložiskové prúdy, sa vyskytujú vo všetkých asynchrónnych motoroch. Pri motoroch napájaných priamo zo siete sú zmeny napájacieho napätia relatívne pomalé, takže tento problém sa objavuje až pri veľkých, hlavne dvojpólových motoroch. Pri napájaní motora z frekvenčného meniča sa vplyvom rýchlych zmien napätia na motore posunula hranica výskytu ložiskových prúdov aj k motorom stredného výkonu [2]. Dlhodobé pôsobenie ložiskových prúdov má za následok poškodenie ložísk motora.

Pri vf prúdoch prítomných v napájaní motora sa uplatnia parazitné kapacity medzi statorovým vinutím a kostrou motora, statorovým vinutím a rotorom a medzi rotorom a kostrou motora. Vlastnú kapacitu majú aj ložiská, pokiaľ ich olejový film nie je porušený a správa sa ako izolant. V motore sa najviac prejavia dva typy ložiskových prúdov.

Okruhový prúd: Cez kapacitu medzi statorovým vinutím a uzemnenou kostrou motora tečie vf zvodový prúd, ktorý spôsobuje magnetickú nesymetriu v motore. Jej následkom sa medzi koncami hriadeľa na rotore indukuje vf napätie. Ak sa poruší izolačná pevnosť mazania v ložisku, prúd začne tiecť z rotora cez jedno ložisko do kostry motora a cez druhé ložisko späť na hriadeľ rotora. Veľkosť tohto prúdu závisí od veľkosti kapacity medzi statorovým vinutím a kostrou motora a zväčšuje sa s osovou výškou motora. Pri motoroch od osovej výšky 225 vyššie je nutné uvažovať s týmto prúdom pri návrhu pohonu [2].

Prúd cez hriadeľ rotora: Zvodový prúd, ktorý tečie medzi statorovým vinutím a kostrou motora, sa musí uzavrieť cez frekvenčný menič. Pokiaľ kostra motora nemá dobré uzemnenie aj pre vf prúdy, vznikne relatívne vysoký rozdiel napätia medzi kostrou motora a uzemnením. Ak je mechanika poháňaná motorom pre vf prúdy lepšie uzemnená ako motor, vf prúd sa uzavrie cez rám motora, ložisko na strane pohonu (angl. Drive End – DE), hriadeľ motora, hriadeľ a ložisko prevodovky, rám prevodovky a uzemnenie späť do meniča. V takomto prípade hrozí nebezpečenstvo poškodenia nielen ložiska na motore, ale aj na prevodovke.

Primárnym nástrojom na potlačenie ložiskových prúdov je kvalitné uzemnenie motora a pripojených zariadení klasickým PE vodičom pre nízke frekvencie, ale aj vzájomným pospájaním prvkov pohonu vodičmi s malou impedanciou pre vf prúdy tak, aby sa vf prúdy uzatvárali mimo PE uzemnenia.

Potlačenie okruhového prúdu sa robí pomocou izolovaného ložiska na tej strane motora, kde nie je pripojená mechanická záťaž (angl. Non-Drive End – NDE). Ak je na motore inštalovaný aj snímač otáčok, musí byť namontovaný tak, aby sa okruhový prúd neuzatváral cez snímač.

K redukcii ložiskových prúdov prispejú aj komponenty, ktoré znižujú du/dt na kábli k motoru, ako sú výstupná tlmivka, filter du/dt alebo sínusový filter.

Prídavné komponenty na strane siete

Na vstupnú stranu frekvenčného meniča sa zaraďujú ďalšie komponenty (obr. 42):

Komutačná tlmivka (angl. line reactor) – tlmí napäťové špice spôsobené poruchami v sieti, vyrovnáva pokles napätia spôsobený komutáciou meniča a redukuje obsah vyšších harmonických prúdu odoberaných zo siete, ktoré spôsobujú zvýšené tepelné namáhanie ostatných zariadení pripojených k tej istej sieti (motory, transformátory). Pri napájaní z tvrdej siete zároveň chráni menič pred nadprúdom v prípade skratu v meniči. Tlmivka musí byť pred menič zaradená, ak sa z jedného zdroja napája viac meničov, ak sa používa odrušovací sieťový filter alebo sa radí paralelne viac usmerňovačov. V prípade, že sa menič napája zo samostatného transformátora, funkciu tlmivky preberá transformátor. Priebeh odoberaného prúdu zo siete bez tlmivky a s tlmivkou je na obr. 51.

Odrušovací filter (angl. line filter, resp. RFI filter) sa používa na obmedzenie rušenia, ktoré menič vyžaruje do siete v rádiovom pásme 150 kHz až 30 MHz. Norma EN 61800-3 definuje dve prostredia:

  • prvé prostredie, kam patria obytné zóny, kde sa pohon pripája na verejnú nízkonapäťovú sieť priamo bez transformátora,
  • druhé prostredie sú miesta mimo obytných zón a priemyselné zóny, kde sú pohony napájané z rozvodov vysokého napätia cez transformátory.

Norma zároveň definuje štyri kategórie C1 až C4 a im prislúchajúce úrovne rušenia (obr. 52).

Funkcia filtrov je vysvetlená na obr. 53. Vysokofrekvenčné kapacitné prúdy spôsobené rýchlymi spínaniami IGBT tranzistorov sa kapacitnými väzbami medzi káblom k motoru a vinutiami motora dostávajú do tienenia kábla, príp. uzemnenia, a vracajú sa do meniča. Filter poskytuje týmto vf prúdom cestu s menším odporom. Ak by menič filter nemal, vf prúdy by sa vracali cez uzemnenie a napájací transformátor a na výstupe transformátora (bod PCC – angl. Point of Common Coupling) by generovali napätia, ktoré by rušili iné zariadenia, príp. by ich mohli poškodiť. Bez zaradených filtrov by rušenie v bode PCC dosiahlo úroveň kategórie C4.

Frekvenčné meniče sú primárne určené do druhého prostredia s úrovňou rušenia C3 a C4. Zvyčajne bývajú vybavené filtrom kategórie C3. Pokiaľ sa vyžaduje ich prevádzka v obytných zónach, treba ich doplniť minimálne o filter kategórie C2. Podľa novších doplnkov normy IEC 61000-2-2:2002 treba frekvenčné meniče na prevádzku v prvom prostredí doplniť aj o filter pre pásmo 0 Hz až 150 kHz.

Literatúra

[1] SIMOVERT MASTER DRIVES – Engineering Manual for Drive Converters – E20125-J0001-S202-A1-7600 Siemens AG 1997

[2] SINAMICS Engineering Manual. June 2020. A5E50260647B AA. Siemens AG 2020.

Peter Girovský
František Ďurovský
Želmíra Ferková
Ján Kaňuch
Marek Pástor
Technická univerzita v Košiciach
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra elektrotechniky a mechatroniky
peter.girovsky@tuke.sk