Elektromagnetska kompatibilnost pri korištenju frekvencijskih pretvarača

Elektromagnetska kompatibilnost (EMC) To je sposobnost električne ili elektroničke opreme da normalno funkcionira u prisutnosti elektromagnetskih polja. U isto vrijeme, oprema ne smije ometati rad druge opreme ili sustava u blizini.

EMC Direktiva Međunarodne komisije za energiju (IEC) postavlja zahtjeve za otpornost i emisije za električnu opremu koja se koristi u Europskom gospodarskom prostoru. Norma EMC EN 61800-3 pokriva zahtjeve za pretvarače frekvencije.

Frekvencijski pretvarač crpi struju iz izvora samo u razdobljima kada je trenutna vrijednost sinusnog vala izvora napajanja veća od napona istosmjernog međukruga, tj. u području vršnog napona izvora. Zbog toga struja ne teče kontinuirano, već isprekidano, s vrlo visokim vršnim vrijednostima.

Ova vrsta strujnog valnog oblika uključuje, uz komponente osnovne frekvencije, više ili manje visok udio harmoničkih komponenti (harmonici napajanja).

U trofaznim pretvaračima frekvencije oni se uglavnom sastoje od 5., 7., 11. i 13. harmonika. Te struje uzrokuju izobličenje valnog oblika napona napajanja, što utječe na druge električne potrošače u istoj mreži.

Također, izmjenične struje uzrokuju fluktuacije krugovi korekcije faktora snage pod nekim kritičnim uvjetima koji mogu dovesti do prenapona.

Uvjeti su kritični kada:

• najmanje 10 — 20% snage instalacije stvaraju pretvarač i nekontrolirani ispravljač frekvencijskog pretvarača;

• kompenzacijski krug radi bez prekida;

• najniži kompenzacijski stupanj stvara rezonantni krug zajedno s dovodnim transformatorom i rezonantnom frekvencijom blizu 5 ili 7 harmonika od 50 Hz, tj. oko 250 ili 350 Hz.

Kao rezultat vrlo brzog preklapanja inverterskih tranzistora na modulacija širine impulsa uočeni su akustični učinci koji negativno utječu na elektroenergetsku mrežu i elektromotor.

Brzo prebacivanje tranzistorskih sklopki pretvarača rezultira širokopojasnim signalom smetnji koji utječe na okolinu preko kabela motora. Kontinuirane promjene induktiviteta uzrokovane PWM i DTC intervalima upravljačkog napona rezultiraju malim promjenama u duljini listova jezgre motora (magnetostrikcija), što rezultira karakterističnim moduliranim šumom u nizu jezgri statora motora.

Izlazni napon frekvencijskog pretvarača je visoke frekvencije pravokutni impulsni niz s različitim polaritetom i trajanjem s istom amplitudom.Strmina fronte naponskog impulsa određena je brzinom preklapanja sklopki snage pretvarača i različita je pri korištenju različitih poluvodičkih uređaja (na primjer: za IGBT tranzistori to je 0,05 — 0,1 μs).

Prolaz impulsnog signala sa strmom frontom uzrokuje valne procese u kabelu i dovodi do prenapona na stezaljkama motora.

Duljina kabela motora ovisi o duljini visokofrekventnog vala (fronta impulsa) koji se njime širi Kritična je duljina kabela jednaka polovici valne duljine pri kojoj se na namote asinkronog motora dovode impulsi napona koji su blizu dvostrukog napona međukruga.

U električnim pogonima za naponski razred 0,4 kV, prenapon može doseći 1000 V. Ovaj problem se naziva problem dugog kabela.

Blok shema pretvarača frekvencije s ulaznim i izlaznim filtrima

Kako bi se zadovoljili zahtjevi EMC standarda, mrežne prigušnice i EMC filtri koriste se u pretvaračima frekvencije.

EMC filtri smanjuju akustičnu buku koju emitira sonda i za većinu tipova sondi tvornički su ugrađeni u kućište sonde. Linijski prigušnice su dizajnirane da smanje visoke udarne struje, a time i harmonike mrežne struje i da poboljšaju zaštitu od prenapona reguliranog frekvencijskog pretvarača.

Rješenje problema «dugog kabela» je potreba primjene tehničkih rješenja za ograničavanje prenapona i udarnih struja na stezaljkama elektromotora. To uključuje ugradnju izlaznih prigušnica, filtara, sinusnih filtara.

Dijagram spajanja pretvarača frekvencije

Izlazne prigušnice prvenstveno služe za ograničavanje strujnih skokova koji se javljaju u dugim kabelima motora zbog prenapunjenosti kabelskih utičnica i blago smanjuju porast napona na stezaljkama motora, ali ne smanjuju vršne skokove napona na stezaljkama motora.

Linearna prigušnica

Filtri štite izolaciju motora ograničavanjem porasta napona i smanjenjem vršnih napona na stezaljkama motora na nekritične vrijednosti, dok filtri smanjuju vršne struje koje se javljaju kada se spremnici kabela povremeno pune.

EMC filteri

Sinusoidalni filtri daju napon gotovo sinusoidalni na izlazu pretvarača.

Osim toga, sinusoidni filtri smanjuju brzinu porasta napona na terminalu motora na određenu vrijednost, uklanjaju vršne napone, smanjuju dodatne gubitke u motoru i smanjuju buku motora.

Za duge kabele motora, sinusoidalni filtri smanjuju vršne trenutne struje koje stvara periodično punjenje spremnika kabela.

Uz gore navedene metode ograničavanja udarnih napona na stezaljkama elektromotora, treba istaknuti dva učinkovita načina za rješavanje problema dugog kabela, koji ne zahtijevaju velika ulaganja i mogu se izvesti izravno od strane korisnika:

1. Instalacija serije LC — filtera na izlazu pretvarača frekvencije za smanjenje strmosti prednjeg ruba impulsa izlaznog napona pretvarača;

2.Ugradnja paralelnog RC filtra izravno na stezaljke motora kako bi odgovarala valnoj impedanciji kabela.

Uz gore navedene metode osiguravanja elektromagnetske kompatibilnosti, treba napomenuti potrebu korištenja oklopljenih kabela za povezivanje pretvarača frekvencije i elektromotora. Za učinkovito suzbijanje zračenih visokofrekventnih smetnji, vodljivost zaslona treba biti najmanje 1/10 vodljivosti faznog vodiča.

Jedan od parametara koji omogućuje procjenu vodljivosti zaslona je njegova induktivnost, koja bi trebala biti mala i što je moguće manje ovisiti o frekvenciji. Ovi zahtjevi se lako ispunjavaju pomoću bakrenog ili aluminijskog štita (oklopa).

Oklopi kabela koji povezuje pretvarač frekvencije i motor moraju biti uzemljeni na oba kraja. Što je oklop bolji i čvršći, to je niža razina zračenja i jačina struje u ležajevima motora.

Zaslon kabela motora za pretvarač frekvencije

Oklop se sastoji od koncentričnog sloja bakrenih žica i namotane bakrene trake.

Obično je oklop upravljačkog kabela uzemljen izravno na pretvarač frekvencije. Drugi kraj oklopa ostaje neuzemljen ili spojen na masu preko visokonaponskog visokofrekventnog kondenzatora od nekoliko nF.

Za spajanje analognih signala preporučuje se korištenje kabela s upredenom paricom s dva oklopa. Korištenje takvog kabela također se preporučuje za spajanje signala iz senzora brzine impulsa. Za svaki signal treba koristiti jedan kabel s posebnim oklopom.

Za niskonaponske digitalne signale također se preporučuje korištenje dvostruko oklopljenog kabela s upredenom paricom, ali se može koristiti više kabela s upredenom paricom sa zajedničkim oklopom.

Dvostruko oklopljeni kabel s upredenim paricama (a) i kabel s nekoliko upredenih parica i jednim zajedničkim oklopom (b)