Zabezpieczenia zwarciowe i kompatybilność przekształtnika częstotliwości zasilającego silnik ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Zabezpieczenia zwarciowe i kompatybilność przekształtnika częstotliwości
zasilającego silnik napędowy
Andrzej Michalski, Piotr Mazurek, Andrzej Pytlak, Krzysztof Zymmer
Zabezpieczenie przed zwarciem oraz kompatybilność
elektromagnetyczna przekształtnika częstotliwości w za-
kresie generacji zaburzeń
1
' do środowiska oraz odporno-
ści na zakłócenia, powinny być rozpatrywane łącznie
podczas projektowania instalacji (dobór wyposażenia
elektrycznego) zasilającej układ napędowy.
Przekształtnik częstotliwości zasilający indukcyjny silnik
napędowy przetwarza energię elektryczną dwukrotnie
- najpierw na energię prądu stałego, a następnie na
energię prądu przemiennego o zmiennym napięciu i częs-
totliwości. Każdy stopień przetwarzania powinien być
zabezpieczony przed zwarciem międzyprzewodowym
i doziemnym. Zabezpieczenie takie powinno zapewnić
bezpieczeństwo pracy obsłudze i ograniczyć straty w sta-
nach awarii w przypadku tych zwarć.
Również obwody wejściowe oraz obwody wyjściowe
przekształtnika częstotliwości nie powinny zaburzać śro-
dowiska i być odporne na zakłócenia występujące w tym
środowisku. Przekształtniki częstotliwości generują do
środowiska zaburzenia w wyniku promieniowania elekt-
romagnetycznego zarówno z przewodów wejściowych,
jak i wyjściowych, oraz w mniejszym stopniu bezpośred-
nio z obudowy urządzenia. Zaburzenia te powstają
w wyniku skokowych zmian napięcia i prądu w ob-
wodach przekształtnika.
CHARAKTERYSTYKA
OBWODÓW WEJŚCIOWYCH PRZEKSZTAŁTNIKA
Obwody wejściowe przekształtnika częstotliwości (rys. 1) zawiera-
ją zabezpieczenie nadprądowe (np. wyłącznik z wyzwalaczami
elektromagnetycznymi), urządzenie różnicowoprądowe (jeżeli jest
stosowane), dławik sieciowy
Ls
i filtr
F
od zakłóceń radioelektrycz-
nych. Dławik sieciowy
Ls
zmniejsza zawartość wyższych har-
monicznych prądu generowanych do sieci, przez co obniża poziom
zniekształceń napięcia zasilającego oraz zmniejsza stosunek warto-
ści szczytowej do skutecznej prądu płynącego przez wyłączniki
Wl
i
W2,
a także ułatwia dobór prądu znamionowego tych wyłącz-
ników do mocy znamionowej przekształtnika.
Na rysunkach 2 i 3 podano przykładowe przebiegi prądu zasilania
przekształtnika częstotliwości o mocy 5 kVA bez dławika sieciowego
(rys. 2) i z dławikiem sieciowym Ls (rys. 3). Współczynnik zniekształ-
ceń prądu THD dla tych przebiegów wynosi odpowiednio 122% bez
dławika sieciowego oraz 46,5% z dławikiem sieciowym.
Przy znamionowym obciążeniu przekształtnika wartość szczytowa
prądu decyduje o działaniu wyzwalacza elektromagnetycznego
wyłącznika. Wartość ta wynosi 30 A w przypadku układu bez
dławika sieciowego (rys. 2) oraz 15 A w przypadku zainstalowane-
go dławika sieciowego (rys. 3).
Na wyjściu prostownika w obwodzie pośredniczącym prądu stałe-
go zainstalowany jest filtr pojemnościowy, który powoduje wy-
stąpienie udaru prądu bezpośrednio po załączeniu przekształtnika,
co należy uwzględnić przy doborze parametrów znamionowych
wyłącznika elektromagnetycznego lub wprowadzić układ ograni-
czający prąd.
Rys. 1. Schemat
układu pomiarowego
prądów upływowych
w przekształtniku
częstotliwości
zasilającym
silnik indukcyjny 5,5 kW
Wl -
wyłącznik
z wyzwalaczami
elektromagnetycznymi,
W2 -
wyłącznik
różnicowoprądowy,
F -
filtr od zakłóceń
radioelektrycznych
(nie był zainstalowany
podczas badań),
Ls -
dławik sieciowy
Mgr inż. Andrzej Michalski, mgr inż. Piotr Mazurek, mgr inż. Andrzej Pytlak,
doc. dr inż. Krzysztof Zymmer - Instytut Elektrotechniki w Warszawie,
członkowie SEP
1
1
Zaburzenie - normatywne określenie zakłóceń
elektromagnetycznych emitowanych przez urządzenie
do sieci zasilającej oraz środowiska.
WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE • ROK LXXII • 2004 nr 1-2
31
nnrr •
ffP ł A A .
Rys. 2.
Oscylogram prądu
pobieranego z sieci
przez przekształtnik
bez dławików sieciowych;
skala prądu: 10 A/dz.
Duże wartości prądu upływowego filtru przeciw zakłóceniom
radioelektrycznym wymagają stosowania zwiększonego przekroju
przewodu ochronnego PE. Poza tym przewód ten powinien być
prowadzony i podłączony w sposób pewny, z uwzględnieniem
wymagań normy PN-IEC 60364-7-707. Zwiększony przekrój
przewodu ochronnego stanowi utrudnienie przy instalowaniu ukła-
dów małej mocy (do 20 kVA).
DOBÓR
PRZEWODÓW OCHRONNYCH I EKRANOWANYCH
Obciążalność prądową przewodów ochronnych PE przekształtnika
częstotliwości dobiera się do wytrzymałości zwarciowej dla przy-
padku wystąpienia uszkodzenia izolacji części czynnie przewodzą-
cych prąd (przekształtnika lub silnika) w stosunku do uziemionego
przewodu ochronnego PE. Przewód ochronny powinien wytrzymać
to zwarcie aż do czasu zadziałania zabezpieczeń. Sposób prowa-
dzenia przewodów ochronnych PE oraz ich rodzaj (druty, linka,
bednarka, korytko metalowe) powinny zapewnić eliminację zabu-
rzeń generowanych do środowiska.
Indukcyjność przewodu ochronnego zależy od jego rodzaju i sposo-
bu prowadzenia instalacji. Z punktu widzenia eliminacji zaburzeń
impulsowych generowanych do środowiska, jak również zakłóceń
przychodzących ze środowiska (np. podczas wyładowań atmo-
sferycznych przychodzących z instalacji), przewody ochronne
powinno się prowadzić wspólnie z przewodami wiodącymi prąd
w możliwie najmniejszej odległości.
Rys. 3.
Oscyłogram prądu
pobieranego z sieci
przez przekształtnik
z dławikami sieciowymi;
skala prądu: 5 A/dz.
....j... j
Rys. 4.
Prąd upływu
w przewodzie
ochronnym B;
skala prądu ł A/dz
t
OCHRONA ZWARCIOWA FALOWNIKA
Producenci przekształtników częstotliwości zabezpieczają obwody
wyjściowe falownika przed zwarciami międzyprzewodowymi i do
uziemionego przewodu ochronnego za pomocą układów elektro-
nicznych. Ich podstawowym celem jest ochrona tranzystorów mocy
przed możliwością uszkodzenia. Czas działania tych układów
wynosi kilka mikrosekund. Układy elektroniczne są również
wykorzystywane dla ochrony przeciwporażeniowej i przeciw-
pożarowej, a więc ochrony ludzi i sprzętu. Problem w tym, że
bezpieczeństwo pracy człowieka wymaga stosowania dodatkowe-
go zabezpieczenia, w przypadku gdyby elektroniczny układ zabez-
pieczenia uszkodził się. Wtedy wyłącznik z wyzwalaczami elektro-
magnetycznymi lub urządzenia różnicowoprądowe chroniące pros-
townik przekształtnika częstotliwości powinny zabezpieczyć doda-
tkowo układ w stanie awarii.
l
Rys. 5.
Prąd upływu
w ekranie przewodów
od strony silnika
(pętla C);
skala prądu 5 A/dz.
Zastosowanie filtru eliminuje zaburzenia radioelektryczne, przeno-
szone przewodowe w przekształtniku częstotliwości w paśmie od
150kHz do 30MHz, płynące w przewodach linii zasilającej, które
wprowadzają zaburzenia do środowiska. Zaburzenia te uniemoż-
liwiają odbiór radiowy i telewizyjny oraz oddziałują szkodliwie na
procesy sterowania urządzeniami elektronicznymi. Zastosowanie
tego filtru powoduje wystąpienie znacznych prądów upływowych
(o częstotliwości sieciowej/= 50 Hz) w przewodzie ochronnym
PE. Prąd ten powoduje, że urządzenia różnicowoprądowe trzeba
dobierać na prąd zadziałania A/ = 300mA. Zatem wyłączniki
różnicowoprądowe zabezpieczają tylko instalację ochronną przed
pożarem, a nie spełniają wymagań ochrony bezpośredniej.
ELIMINACJA ZABURZEŃ
GENEROWANYCH PRZEZ FALOWNIK
Napięcie wyjściowe falownika jest kształtowane z pośredniego
napięcia stałego, w wyniku modulacji szerokości impulsów PWM.
Częstotliwość przetwarzania napięcia w falownikach jest dobierana
w zależności od zastosowania: od l kHz do 20 kHz. Skokowa
zmiana napięcia podczas kluczowania powoduje znaczny poziom
emisji do środowiska zaburzeń elektromagnetycznych, które utrud-
niają pracę urządzeń elektronicznych w tym środowisku. Dla
eliminacji tych zaburzeń przewody łączące przekształtnik z sil-
nikiem powinny być prowadzone w ekranie i starannie podłączone
do korpusu silnika oraz do obudowy metalowej przekształtnika.
32
WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE • ROK LXXII • 2004 nr 1-2
Skokowa zmiana napięcia powoduje także wystąpienie impulsów
prądowych płynących w przewodach zasilających silnik. Prądy te
wynikają zarówno z pojemności międzyprzewodowych, jak rów-
nież pojemności przewodowych względem ekranów lub korpusu
silnika. Prądy te dodatkowo nagrzewają przewody łączące prze-
kształtnik z silnikiem oraz uzwojenie silnika. Przy doborze zabez-
pieczeń termicznych na wyjściu falownika należy to uwzględnić.
Prąd upływowy do ziemi płynie w przewodzie ochronnym łączą-
cym przekształtnik z silnikiem (rys. 5). Część tego prądu płynie
również w przewodzie łączącym przekształtnik z siecią zasilającą
(rys. 4). Wymaga się, aby ekran miał małą reaktancję dla
impulsowych prądów upływowych. Wewnątrz ekranu powinien
być również przewód ochronny PE, który ma małą rezystancję
i umożliwia przepływ prądu zwarcia doziemnego.
Dla eliminacji impulsowych prądów pojemnościowych, wynikają-
cych z częstotliwości przetwarzania napięcia na wyjściu falownika,
stosuje się dławiki trójfazowe. Pierwszy - symetryczny - obniża
wartość szczytową prądu pojemnościowego płynącego między
fazami, co powoduje zmniejszenie nagrzewania przewodów
i uzwojeń silnika oraz ogranicza naprężenia napięciowe izolacji
międzyprzewodowej towarzyszące przepływowi tego prądu. Drugi
zaś - spolaryzowany - tłumi składową zgodną prądu płynącą przez
pojemności ekranu i uzwojeń silnika do przewodu ochronnego PE.
Dławik ten ogranicza naprężenia napięciowe izolacji względem
uziemionego korpusu silnika. W stanach normalnej pracy dławik
ten ogranicza również napięcie dotykowe między przekształt-
nikiem i ekranem oraz silnikiem w przypadku, gdy reaktancja
przewodu ochronnego i ekranu jest zbyt duża.
Renesans tramwajów w aglomeracji Bordeaux
Radio francuskie REI 20 grudnia 2003 r. poinformowało o wzno-
wieniu w Bordeaux komunikacji tramwajowej, po upływie 45 lat od
jej zawieszenia. Rangę tego wydarzenia podkreślił fakt, że dokonał
tego prezydent Chirac. Poprzednio linie tramwajowe miały tam
długość ponad 250 kilometrów.
Miasto Bordeaux leży u lejkowatego ujścia rzeki Garonne do
Atlantyku. Jest to duży port, a miasto - centrum aglomeracji -jest
oddalone o 97 kilometrów od oceanu, otoczone mniejszymi
miastami. Jest to centrum handlu winem i siedziba dorocznych
międzynarodowych targów.
Wznowienie komunikacji tramwajowej w Bordeaux oznacza stwie-
rdzenie, że komunikacja autobusowa i samochodowa nie roz-
wiązała problemów transportowych w Bordeaux.
To wydarzenie będzie miało wpływ na decyzje innych dużych
miast, a także otwiera perspektywy powrotu do zaniechanej już
produkcji elektrycznego wyposażenia tramwajów przez przemysł
elektrotechniczny.
J.N.
Niezawodność
systemów zasilania gwarantowanego
- najnowsze technologie Powerware
Pod takim hasłem odbyło się we wrześniu ub.r. w Warszawie
spotkanie prezentacyjne zorganizowane przez firmę Powerware.
Firma główną siedzibę ma w Espoo w Finlandii. Na polskim rynku
pojawiła się po raz pierwszy, lecz produkowane przez nią systemy
gwarantowanego zasilania były rozprowadzane u nas od dziesięciu
lat przez inne firmy.
Powerware specjalizuje się w integracji systemów zasilania prądem
stałym i przemiennym z agregatami prądotwórczymi i bateriami
stacjonarnymi, w oprogramowaniu do zarządzania zasilaniem
i w zdalnym monitoringu układów zasilania. Według danych firmy,
na polskim rynku zainstalowano już ponad 10 tyś. systemów jej
produkcji, o mocy przekraczającej 5 kVA.
Na spotkaniu przedstawiono przegląd konstrukcji zasilaczy prze-
miennoprądowych UPS, oraz sposób eliminacji podstawowych
typów zakłóceń spotykanych w sieci energetycznej. Omówiono
szczegółowo zasilacze jedno- i trójfazowe, poszczególne ich typy,
z uwzględnieniem ostatnich opracowań, a także pracę równoległą
UPS i system nieciągłego ładowania baterii - ABM. System ten
ogranicza czas przepływu prądu ładowania przez baterie tylko do
okresów, kiedy konieczne jest uzupełnienie ładunku, co korzystnie
wpływa na żywotność baterii. Odbył się również pokaz pracy UPS
w układzie równoległym z agregatem prądotwórczym.
WNIOSKI
• Zabezpieczenie przed zwarciem międzyprzewodowym i dozie-
mnym przekształtnika częstotliwości przewidzianego do zasilania
silnika napędowego powinno być rozpatrywane wspólnie z zagad-
nieniami optymalizacji w zakresie kompatybilności elektromag-
netycznej tego układu.
• Każdy stopień przetwarzania energii w przekształtniku częstot-
liwości powinien być zabezpieczony od zwarć międzyprzewodo-
wych i doziemnych oraz uwzględniać sposoby eliminujące genera-
cję zaburzeń elektromagnetycznych.
• Obciążalność przewodów ochronnych w przekształtniku częs-
totliwości powinna być dobierana do stanów zwarciowych, zaś ich
sposób prowadzenia powinien być określony z punktu widzenia
wymagań w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej.
LITERATURA
[1] FILIP L, PYTLAK A.: Zabezpieczenia przeciwporażeniowe przekształtnika
częstotliwości.
Wiadomości Elektrotechniczne
2003 nr 6
[2] PYTLAK A.. ŚWIĄTEK H.: Ochrona przeciwporażeniowa w układach energo-
elektronicznych. COSiW. Warszawa 2002
[3] PN-IEC 60364-7-707 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Wymaga-
nia dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Wymagania dotyczące
uziemień instalacji urządzeń przetwarzania danych
Przedstawiono także stałoprądowe systemy prądu stałego DC oraz
przegląd agregatów prądotwórczych, skupiając się na opisie ich
charakterystyk oraz na przykładach instalacji. Na koniec zaprezen-
towano ofertę serwisową firmy.
H. G.
WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE • ROK LXXII • 2004 nr 1-2
33
[ Pobierz całość w formacie PDF ]