Elektromagnetická kompatibilita pri použití frekvenčných meničov

Elektromagnetická kompatibilita (EMC) Je to schopnosť elektrického alebo elektronického zariadenia fungovať normálne v prítomnosti elektromagnetických polí. Zariadenie zároveň nesmie rušiť činnosť iných zariadení alebo systémov v blízkosti.

Smernica Medzinárodnej energetickej komisie (IEC) EMC stanovuje požiadavky na odolnosť a emisie pre elektrické zariadenia používané v Európskom hospodárskom priestore. Norma EMC EN 61800-3 pokrýva požiadavky na frekvenčné meniče.

Frekvenčný menič odoberá prúd zo zdroja len v obdobiach, keď je okamžitá hodnota sínusoidy zdroja vyššia ako napätie medziobvodu, t.j. v oblasti špičkového zdrojového napätia. V dôsledku toho prúd netečie nepretržite, ale prerušovane, s veľmi vysokými špičkovými hodnotami.

Tento typ priebehu prúdu zahŕňa spolu so základnými frekvenčnými zložkami viac-menej vysoký podiel harmonických zložiek (napájacích harmonických).

V trojfázových frekvenčných meničoch pozostávajú hlavne z 5., 7., 11. a 13. harmonickej. Tieto prúdy spôsobujú skreslenie priebehu napájacieho napätia, čo ovplyvňuje ostatných elektrických spotrebičov v tej istej sieti.

Tiež striedavé prúdy spôsobujú kolísanie v obvody na korekciu účinníka za určitých kritických podmienok, ktoré môžu viesť k prepätiu.

Podmienky sú kritické, keď:

• najmenej 10 — 20 % výkonu inštalácie tvorí menič a neriadený usmerňovač frekvenčného meniča;

• kompenzačný obvod funguje bez prerušenia;

• najnižší kompenzačný stupeň vytvára spolu s napájacím transformátorom rezonančný obvod a rezonančnou frekvenciou blízkou 5 alebo 7 harmonickým 50 Hz, t.j. okolo 250 alebo 350 Hz.

V dôsledku veľmi rýchleho spínania invertorových tranzistorov pri pulzná šírková modulácia sú pozorované akustické efekty, ktoré majú negatívny vplyv na elektrickú sieť a elektromotor.

Rýchle spínanie tranzistorových spínačov meniča vedie k širokopásmovému rušivému signálu, ktorý ovplyvňuje životné prostredie cez káble motora. Nepretržité zmeny indukčnosti spôsobené intervalmi riadiaceho napätia PWM a DTC majú za následok mierne zmeny v dĺžke dosiek jadra motora (magnetostrikcia), čo má za následok charakteristický modulovaný hluk v zostave jadra statora motora.

Výstupné napätie frekvenčného meniča je vysokofrekvenčné pravouhlý sled impulzov s rôznou polaritou a trvaním s rovnakou amplitúdou.Strmosť čela napäťového impulzu je určená rýchlosťou spínania výkonových spínačov meniča a je odlišná pri použití rôznych polovodičových zariadení (napr. IGBT tranzistory to je 0,05 – 0,1 μs).

Prechod impulzného signálu so strmým čelom spôsobuje vlnové procesy v kábli a vedie k prepätiu na svorkách motora.

Dĺžka kábla motora závisí od dĺžky vysokofrekvenčnej vlny (čela impulzu), ktorá sa ním šíri. Kritická je dĺžka kábla rovnajúca sa polovici vlnovej dĺžky, pri ktorej sú napäťové impulzy aplikované na vinutia indukčného motora, ktoré sú blízko k dvojnásobku napätia medziobvodu.

V elektrických pohonoch pre napäťovú triedu 0,4 kV môže prepätie dosiahnuť 1000 V. Tento problém sa nazýva problémy s dlhými káblami.

Bloková schéma frekvenčného meniča so vstupnými a výstupnými filtrami

Na splnenie požiadaviek noriem EMC sa v pohonoch s frekvenčným meničom používajú sieťové tlmivky a EMC filtre.

EMC filtre znižujú akustický hluk vysielaný prevodníkom a pre väčšinu typov prevodníkov sú z výroby zabudované do krytu sondy. Sieťové tlmivky sú navrhnuté tak, aby znižovali vysoké zapínacie prúdy a tým aj harmonické prúdy vo vedení a zlepšovali prepäťovú ochranu regulovaného frekvenčného meniča.

Riešením problému „dlhého kábla“ je potreba použiť technické riešenia na obmedzenie prepätia a zapínacích prúdov na svorkách elektromotora. Medzi ne patrí inštalácia výstupných tlmiviek, filtrov, sínusových filtrov.

Schéma zapojenia frekvenčného meniča

Výstupné tlmivky slúžia predovšetkým na obmedzenie prúdových špičiek, ktoré vznikajú v dlhých motorových kábloch v dôsledku prebíjania káblových zásuviek a mierne znižujú nárast napätia na svorkách motora, ale neznižujú napäťové špičky na svorkách motora.

Lineárna tlmivka

Filtre chránia izoláciu motora tým, že obmedzujú nárast napätia a znižujú napäťové špičky na svorkách motora na nekritické hodnoty, zatiaľ čo filtre znižujú prúdové špičky, ku ktorým dochádza pri periodickom dobíjaní káblových zásobníkov.

EMC filtre

Sínusové filtre poskytujú takmer sínusové napätie na výstupe meniča.

Okrem toho sínusové filtre znižujú rýchlosť nárastu napätia na svorkách motora na určitú hodnotu, odstraňujú napäťové špičky, znižujú dodatočné straty v motore a znižujú hluk motora.

V prípade dlhých motorových káblov redukujú sínusové filtre prúdové špičky generované pravidelným nabíjaním káblových zásobníkov.

Okrem vyššie uvedených metód obmedzenia prepätia na svorkách elektromotora je potrebné poznamenať dva účinné spôsoby riešenia problému dlhého kábla, ktoré si nevyžadujú veľké investície a môžu ich vykonať priamo používateľ:

1. Inštalácia sériového LC – filtra na výstupe frekvenčného meniča na zníženie strmosti nábežnej hrany výstupných napäťových impulzov meniča;

2.Inštalácia paralelného RC filtra priamo na svorky motora tak, aby zodpovedal vlnovej impedancii kábla.

Okrem vyššie uvedených spôsobov zabezpečenia elektromagnetickej kompatibility je potrebné upozorniť na potrebu použitia tienených káblov na prepojenie frekvenčného meniča a elektromotora. Pre účinné potlačenie vyžarovaného vysokofrekvenčného rušenia by vodivosť tienenia mala byť aspoň 1/10 vodivosti fázového vodiča.

Jedným z parametrov, ktoré umožňujú vyhodnotiť vodivosť obrazovky, je jej indukčnosť, ktorá by mala byť malá a čo najmenej závisieť od frekvencie. Tieto požiadavky sa dajú ľahko splniť pomocou medeného alebo hliníkového štítu (brnenia).

Tienenia kábla spájajúceho frekvenčný menič a motor musia byť na oboch koncoch uzemnené.Čím lepšie a tesnejšie je tienenie, tým nižšia je úroveň žiarenia a veľkosť prúdu v ložiskách motora.

Tienenie kábla motora pre frekvenčný menič

Tienenie pozostáva zo sústrednej vrstvy medených drôtov a stočeného medeného pásika.

Normálne je tienenie riadiaceho kábla uzemnené priamo k frekvenčnému meniču. Druhý koniec tienenia je ponechaný neuzemnený alebo pripojený k zemi cez vysokonapäťový vysokofrekvenčný kondenzátor s hodnotou niekoľkých nF.

Na pripojenie analógových signálov sa odporúča použiť krútenú dvojlinku s dvoma tieneniami. Použitie takéhoto kábla sa odporúča aj na pripojenie signálov z impulzného snímača rýchlosti. Pre každý signál by sa mal použiť jeden kábel so samostatným tienením.

Pre nízkonapäťové digitálne signály sa tiež odporúča použiť dvojito tienený krútený párový kábel, ale je možné použiť viacero krútených párových káblov so spoločným tienením.

Dvojitý tienený krútený párový kábel (a) a kábel s niekoľkými krútenými pármi a jedným spoločným tienením (b)