Електромагнитна съвместимост при използване на честотни преобразуватели

Електромагнитна съвместимост (ЕМС) Това е способността на електрическо или електронно оборудване да функционира нормално в присъствието на електромагнитни полета. В същото време оборудването не трябва да пречи на работата на друго оборудване или система в близост.

Директивата за ЕМС на Международната енергийна комисия (IEC) определя изискванията за имунитет и емисии за електрическо оборудване, използвано в Европейското икономическо пространство. Стандартът EMC EN 61800-3 покрива изискванията за честотни преобразуватели.

Честотният преобразувател черпи ток от източника само през периоди, когато моментната стойност на синусоидата на източника на захранване е по -висока от напрежението в постоянната връзка, т.е. в областта на пиковото напрежение на източника. В резултат на това токът не тече непрекъснато, а периодично, с много високи пикови стойности.

Този тип форма на вълна на тока включва, заедно с основните честотни компоненти, повече или по -малко висок дял от хармоничните компоненти (хармоници на захранването).

В трифазни честотни преобразуватели те се състоят главно от 5, 7, 11 и 13 хармоници. Тези токове причиняват изкривяване на формата на вълната на захранващото напрежение, което засяга други електрически консуматори в същата мрежа.

Освен това периодичните токове причиняват колебания в вериги за корекция на фактора на мощността при някои критични условия, които могат да доведат до пренапрежение.

Условията са критични, когато:

• най -малко 10 — 20% от мощността на инсталацията се формира от инвертора и неконтролирания токоизправител на честотния преобразувател;

• компенсационната верига работи без прекъсване;

• най -ниският компенсационен етап създава резонансна верига заедно с захранващ трансформатор и резонансна честота близка до 5 или 7 хармоници от 50 Hz, т.е. около 250 или 350 Hz.

В резултат на много бързото превключване на инверторните транзистори при широчинно импулсна модулация се наблюдават акустични ефекти, които оказват негативно влияние върху захранващата мрежа и електродвигателя.

Бързото превключване на транзисторните превключватели на инвертора води до широколентов интерферентен сигнал, който влияе върху околната среда чрез кабелите на двигателя. Непрекъснатите промени в индукцията, причинени от PWM и DTC интервали на управляващо напрежение, водят до леки промени в дължината на листата на сърцевината на двигателя (магнитострикция), което води до характерен модулиран шум в купчината на сърцевината на статора на електродвигателя.

Изходното напрежение на честотния преобразувател е високочестотно правоъгълен импулсен влак с различна полярност и продължителност със същата амплитуда. Стръмността на фронта на импулса на напрежението се определя от скоростта на превключване на силовите превключватели на инвертора и е различна при използване на различни полупроводникови устройства (например: за IGBT транзистори това е 0,05 — 0,1 μs).

Преминаването на импулсен сигнал със стръмен фронт причинява вълнови процеси в кабела и води до пренапрежения в клемите на двигателя.

Дължината на кабела на двигателя зависи от дължината на разпространяващата се в него високочестотна вълна (фронта на импулса).Критична е дължината на кабела, равна на половината от дължината на вълната, при която импулси на напрежение се прилагат към намотките на асинхронния двигател, които са близки по величина до двойното напрежение на DC връзката.

При електрическите задвижвания за клас напрежение 0,4 kV, пренапрежението може да достигне 1000 V. Този проблем се нарича проблеми с дълъг кабел.

Блокова схема на честотен преобразувател с входни и изходни филтри

За да отговарят на изискванията на стандартите за ЕМС, линейни дросели и ЕМС филтри се използват в задвижвания с честотни преобразуватели.

ЕМС филтрите намаляват акустичния шум, излъчван от преобразувателя, и за повечето типове преобразуватели са фабрично вградени в корпуса на сондата. Линейните реактори са проектирани да намалят високите пускови токове и следователно хармоници на линейния ток и да подобрят защитата от пренапрежение на регулиращото честотно задвижване.

Решението на проблема с «дългия кабел» е необходимостта от прилагане на технически решения за ограничаване на пренапреженията и пусковите токове в клемите на електродвигателя. Те включват инсталиране на изходни дросели, филтри, синусоидални филтри.

Схема на свързване на честотен преобразувател

Изходните дросели служат предимно за ограничаване на пиковете на тока, които възникват в дългите кабели на двигателя поради презареждане на кабелните контейнери и леко намаляване на повишаването на напрежението в клемите на двигателя, но те не намаляват пиковете на напрежение в клемите на двигателя.

Линейно задушаване

Филтрите защитават изолацията на двигателя, като ограничават покачването на напрежението и намаляват пиковете на напрежението на клемите на двигателя до некритични стойности, докато филтрите намаляват пиковете на тока, които възникват при периодично презареждане на кабелните контейнери.

ЕМС филтри

Синусоидалните филтри осигуряват напрежение, близко до синусоидалното на изхода на преобразувателя.

В допълнение, синусоидалните филтри намаляват скоростта на нарастване на напрежението на клемите на двигателя до стойност, премахват пиковете на напрежението, намаляват допълнителните загуби в двигателя и намаляват шума на двигателя.

При дългите кабели на двигателя синусоидалните филтри намаляват пиковете на тока, генерирани от периодичното презареждане на кабелните контейнери.

В допълнение към горните методи за ограничаване на пренапреженията на вълните в клемите на електродвигателя, трябва да се отбележат два ефективни начина за решаване на проблема с дълъг кабел, които не изискват големи инвестиции и могат да се извършват директно от потребителя:

1. Монтаж на сериен LC — филтър на изхода на честотния преобразувател за намаляване на стръмността на предния ръб на импулсите на изходното напрежение на инвертора;

2. Инсталиране на паралелен RC — филтър директно към клемите на двигателя, за да съответства на вълновия импеданс на кабела.

В допълнение към горните методи за осигуряване на електромагнитна съвместимост, трябва да се отбележи необходимостта от използване на екранирани кабели за свързване на честотния преобразувател и електродвигателя. За ефективно потискане на излъчваните високочестотни смущения проводимостта на екрана трябва да бъде най-малко 1/10 от проводимостта на фазовия проводник.

Един от параметрите, които позволяват да се оцени проводимостта на екрана, е неговата индуктивност, която трябва да е малка и да зависи възможно най -малко от честотата. Тези изисквания лесно се изпълняват с помощта на меден или алуминиев щит (броня).

Екраните на кабела, свързващ честотния преобразувател и двигателя, трябва да бъдат заземени от двата края.Колкото по -добър и плътен е екранът, толкова по -ниско е нивото на радиация и големината на тока в лагерите на електродвигателя.

Екран на кабела на двигателя за честотен преобразувател

Щитът се състои от концентричен слой от медни проводници и медна лента с намотка.

Обикновено щитът на управляващия кабел е заземен директно към честотния преобразувател. Другият край на щита е оставен незаземен или свързан към земята чрез високочестотен кондензатор за високо напрежение от няколко nF.

Препоръчително е да използвате кабел с усукана двойка с два щита за свързване на аналогови сигнали. Използването на такъв кабел се препоръчва и за свързване на сигнали от импулсен датчик за скорост. За всеки сигнал трябва да се използва един кабел с отделен щит.

За цифрови сигнали с ниско напрежение също се препоръчва да се използва кабел с усукана двойка с двойно екраниране, но могат да се използват множество кабели с усукана двойка с един общ щит.

Кабел с усукана двойка с двойно екраниране (а) и кабел с няколко усукани двойки и един общ щит (б)