Eliminacja prądów upływu o częstotliwościach radiowych z napędów energoelektronicznych

Pierwszą z możliwych metod tłumienia zaburzeń różnicowych może być wykorzystanie dławika silnikowego jako filtra pierwszego rzędu. (Źródło: Block USA)

Prądy upływu o częstotliwościach radiowych (Radio Frequency – RF) mogą być eliminowane z napędów energoelektronicznych za pomocą specjalnych filtrów.

Napędy energoelektroniczne (falowniki) wykorzystujące modulację szerokości impulsów (PWM) są używane do regulacji prędkości i momentu obrotowego silników elektrycznych. Jednak w układach tych powstają pewne niepożądane zjawiska, takie jak przepływ prądów upływu, przepływ prądów łożyskowych oraz dodatkowe straty termiczne. Napęd taki nie jest w stanie wytworzyć w 100% symetrycznego zasilania trójfazowego, w którym napięcia zaburzeń wspólnych są niemal zerowe. Szczególnej uwagi wymagają napięcia zaburzeń wspólnych, ponieważ powodują przepływ odpowiadających im prądów upływu doziemnego. Przy wzroście długości kabli zasilających oraz mocy silników wzrastają też ich doziemne pojemności pasożytnicze. Producenci próbują ograniczyć je za pomocą specjalnych konstrukcji, jednak jest to możliwe tylko w ograniczonym zakresie. W celu skutecznej eliminacji zaburzeń wspólnych muszą być zastosowane dodatkowe technologie filtrowania, które zredukują zaburzenia wyjściowe niemal do zera.

Lepsze działanie i sprawność napędów mogą być uzyskane przez wprowadzenie inteligentnych systemów komunikacyjnych. Wykorzystanie takiej komunikacji w sieci energetycznej oznacza także użycie sygnałów o wysokiej częstotliwości (HF) i niskich poziomach napięciowych. Ustanowienie stabilnej komunikacji w połączeniu z napędami o zmiennej prędkości obrotowej może być wyzwaniem, szczególnie wtedy, gdy prądy zakłócające dostają się do przewodu ochronnego PE poprzez pasożytnicze pojemności doziemne silnika i przewodów ekranowanych.

Analiza tej sytuacji staje się łatwa do zrozumienia, gdy weźmiemy pod uwagę równoważny schemat napędu i jego akcesoriów. Na skutek tego nieproporcjonalnego wpływu impedancji i pojemności prądy o wysokiej częstotliwości mogą bardzo łatwo przedostać się do systemów uziemiających o niskiej impedancji, co skutkuje niekiedy pojawieniem się wielu różnych interakcji i może wpłynąć niekorzystnie na komunikację poprzez nakładanie się sygnałów.

Rys. 1. Podłączenie wielobiegunowego filtra sinusoidalnego do obwodu pośredniczącego falownika (DC-link) ogranicza zaburzenia wspólne. (Źródło: Block USA)

Tłumienie zaburzeń różnicowych (międzyfazowych)

Pierwszą z możliwych metod redukcji poziomu zaburzeń różnicowych jest użycie dławika silnikowego jako filtra pierwszego rzędu. Ta dodatkowa indukcyjność wpływa pozytywnie na ograniczenie stromości narastania napięcia du/dt i impulsów napięciowych. Zawsze jednak istnieje ryzyko powstania rezonansu pomiędzy dławikiem a pojemnościami kabli, który może być niekorzystny. Dodającdo indukcyjności elementy rezystancyjne i pojemnościowe, aby otrzymać filtr du/dt, można jeszcze bardziej wzmocnić działanie samego dławika. Wówczas stromość du/dt i piki napięcia w silniku stają się jeszcze bardziej ograniczone.

Przy odpowiednim dobraniu wartości L i C w celu zredukowania napięć zaburzeń różnicowych poza częstotliwością podstawową (gdzie L oznacza indukcyjność, zaś C odnosi się do standardu „NEMA design C”: silniki asynchroniczne z wirnikiem dwuklapkowym) można osiągnąć nawet 95-procentową redukcję tych napięć. Silnik podłączony do falownika przez dławik jest zasilany napięciem w przybliżeniu sinusoidalnym, co ma pozytywny wpływ na redukcję jego hałasu i przegrzewania się. Niemniej jednak z powodu niesymetryczności napięcia zasilającego, napięcia i prądy zaburzeń wspólnych pozostają praktycznie niezmienione.

Eliminacja zaburzeń wspólnych

Zaburzenia wspólne mogą być skutecznie filtrowane tylko wtedy, gdy prądy zakłóceniowe płyną na krótkim dystansie z powrotem do ich źródła. Ponieważ powinno to występować bezpośrednio w napędzie, w obwodzie pośredniczącym falownika (DC-link) muszą być wyprowadzone zaciski do podłączenia filtra zewnętrznego (DC-). W ten sposób rozprzestrzenianie się tych prądów zostaje zredukowane do minimum w kablu zasilającym silnik i samym silniku, a cały system zasilany z falownika jest wolny od prądów wysokiej częstotliwości. Technicznie rzecz biorąc, wielobiegunowe filtry sinusoidalne stanowią połączenie standardowego filtra sinusoidalnego z dodatkowym elementem redukującym zaburzenia wspólne, tak więc obie składowe zaburzeń zostają zredukowane do minimum. Ścieżki komunikacji przez sieć energetyczną pozostają wolne od zakłóceń, zaś wykorzystywane silniki są zasilane z falowników za pomocą dodatkowo tłumiących zakłócenia złączy RF.

Fot. 1. Przepływ prądów pulsujących może być spowodowany przez łożyska silnika, jeśli jego wał jest lepiej uziemiony niż korpus. Taki przypadek występuje często, gdy silnik wyposażony w sprzęgło przewodzące został mechanicznie połączony z napędzanym urządzeniem, zaś korpus tego silnika ma gorsze uziemienie. (Źródło: Block USA)

Dodatkowy przykład: prądy łożyskowe

Bezpośrednim efektem występowania opisywanych prądów wysokiej częstotliwości są prądy łożyskowe w silniku. Gdy silnik jest zasilany napięciem sinusoidalnym, wzdłuż jego wału indukuje się tzw. napięcie wałowe. To napięcie tętniące, odpowiadające podstawowemu, jest nakładane z powodu efektów nasycenia swoją trzecią harmoniczną. Jeśli wartość szczytowa napięcia tętnień nie przekracza 500 mV, wówczas generalnie nie jest wymagane żadne dalsze działanie zabezpieczające.

Nadmierne wzrosty napięcia tętniącego oraz występowanie prądów krążących w silniku mogą szybko spowodować uszkodzenia łożysk. Odizolowanie elektryczne łożysk z reguły wystarcza do zabezpieczenia ich przed takimi prądami, płynącymi przez dłuższy czas. Podczas pracy silnika zasilanego z falownika napięcia zaburzeń wspólnych powodują przepływ prądów łożyskowych. W zależności od częstotliwości przełączania tranzystorów mocy w falowniku oraz stromości narastania napięcia du/dt wartości szczytowe napięcia wałowego mogą osiągnąć nawet 10 V, co powoduje przerwanie warstwy smarującej wewnątrz łożyska i prowadzi po pewnym czasie do jego uszkodzenia.

Przepływ prądów pulsujących może być też spowodowany przez łożyska silnika, jeśli jego wał jest lepiej uziemiony niż obudowa. Taki przypadek występuje często wtedy, gdy silnik wyposażony w sprzęgło przewodzące został mechanicznie połączony z napędzanym urządzeniem, zaś korpus tego silnika ma gorsze uziemienie. Po zastosowaniu filtra napięcie wyjściowe z falownika jest korygowane do kształtu sinusoidalnego, dzięki czemu nie mogą wystąpić żadne impulsy napięciowe i wyeliminowane zostaje ryzyko uszkodzenia łożysk.

Christoph Wesner jest kierownikiem działu norm i aprobat EME w firmie Block USA.