ЭМС преобразователя частоты с асинхронным электродвигателем

Автор: С.А. Королёв, Л.Д. Шабалин
(Калининградский государственный технический университет, г. Калининград, Россия)

В ГОСТ Р 51524 – 99 [1] рассматривается электромагнитная совместимость современных электрических приводов с регулируемой скоростью вращения, приводятся требования и методы испытаний этих приводов на помехоустойчивость и помехоэмиссию.

Однако в этом ГОСТе, к сожалению, не рассмотрена возросшая роль подшипниковых токов в результате широкого внедрения электроприводов со статическими преобразователями частоты.

При эксплуатации электродвигателя от преобразователя частоты (ПЧ) возникают проблемы ускоренного износа подшипников вала. Ускоренный износ подшипников происходит от воздействия электрического тока. Под воздействием этого тока происходит передача металла от расс подшипников к смазке. При этом на поверхности расс образуются эрозионные кратеры, которые приводят к повышенному механическому износу и нагреву подшипников. Это явление наблюдается в системах с изолированной нейтралью, однако эта проблема стала более актуальной, когда для управления двигателем стал применяться принцип частотного регулирования. В этом случае при использовании преобразователя частоты значительно возросла частота коммутации и, следовательно, интенсивность переноса металла от расс подшипников к смазке. Пути протекания подшипниковых токов зависят также от архитектуры системы, мощности и исполнения двигателя.

Подшипниковые токи возникают по двум основным причинам:

от наводок ЭДС на элементах электродвигателя;
от протекания высокочастотных токов через распределённые ёмкости между обмотками статора и корпусом двигателя по контуру заземления к преобразователю частоты.

В асинхронном электродвигателе (АД) из-за неравномерности воздушного зазора между ротором и статором, наличия воздушных зазоров между пакетами стали ротора, а также ряда других причин магнитное поле машины искажается. В результате этого пакеты стали ротора и его вал пересекаются искаженным магнитным полем, вследствие этого на валу наводится напряжение, которое и является причиной подшипниковых токов.

Если это напряжение достигнет величины достаточной для преодоления сопротивлениямасленой плёнки подшипников, то по цепи вал, подшипники и корпус будет протекать круговой ток (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема протекания кругового тока

Второй причиной возникновения подшипниковых токов являются распределённые ёмкости между обмотками статора и корпусом двигателя. Диэлектриками в этом случае являются изоляция проводника, воздушные зазоры, слои лака и эмали. В случае фазного ротора распределённые ёмкости имеются между обмотками ротора и валом двигателя. Величина этих ёмкостей незначительна, но для токов высокой частоты сопротивление мало и возможно протекание подшипниковых токов.

Так, высокочастотная составляющая тока от преобразователя частоты протекает через распределённые ёмкости, подшипники АД и систему заземления возвращается обратно к преобразователю частоты. Также в формировании цепи может использоваться вал исполнительного механизма и его подшипники (рис. 2).

Рисунок 2 – Общая схема

В системе ПЧ-АД обе причины действуют одновременно и увеличивают значение подшипникового тока.

Так как ёмкости распределены неравномерно (из-за разных толщин диэлектрических материалов), то это увеличивает искажения магнитного поля АД и соответственно наводимую на валу ЭДС.

В случае соединения звездой трёхфазного синусоидального источника энергии при нормальных условиях напряжение в нейтральной точке равно нулю, однако при широтно-импульсной модуляции трёхфазного источника питания напряжение нейтральной точки не равно нулю. Это напряжение может быть измерено в нулевой точке звезды при любой нагрузке и является источником синфазного напряжения. В результате ток, пропорциональный величине этого напряжения, протекает через распределённые ёмкости АД обратно к источнику энергии через заземление (рис. 3).

Рисунок 3 – Схема воздействия синфазного сигнала на систему ПЧ-АД

В схеме приняты обозначения:

– ЭДС инвертора напряжения;

– ЭДС синфазного сигнала;

– распределённые ёмкости инвертора;

– активные сопротивления кабеля;

– индуктивные сопротивления кабеля;

– паразитные ёмкости кабеля;

– распределённые ёмкости двигателя;

– индуктивные сопротивления обмоток двигателя.

Для воздействия на подшипниковые токи рекомендуется использовать четыре основных метода:

специальные кабели [2] и систему заземления;
разрыв цепей тока;
высокочастотные фильтры [2];
метод наикратчайшего пути подшипникового тока.

Меры, предпринимаемые для устранения подшипниковых токов, зависят от того, какая из причин возникновения токов преобладает, а также от конфигурации цепей тока и определяются для каждой конкретной ситуации индивидуально. Целью этих мер является уменьшение значения напряжения до величины, которая не вызывает появления подшипникового тока или уменьшает значение тока до величины, которая не сказывается значительным образом на сроке службы подшипников.

Таким образом, для эффективной эксплуатации системы ПЧ-АД необходимо учитывать проблему подшипниковых токов, в противном случае это может привести к преждевременному выходу из строя подшипников двигателя.

Литература

ГОСТ Р 51524 – 99. Совместимость технических средств электромагнитная. Системы электрического привода с регулируемой скоростью вращения. Требования и методы испытаний. – М: ИПК Издательство стандартов, 2000.
Шваб А., Электромагнитная совместимость, – М: Энергоиздат, 1995.