ЭMC частотно - регулируемых электроприводов

Авторы: Jaroslav NOVAK, Jiri SIMANEK, Ondrej CERNY, Radovan DOLECEK

Автор перевода: Ю.С. Деревянко

Описание: В данной работе описывается сущность ПЧ и технико-экономическое обоснование его внедрения.

Источник (англ.):Radioenginering, vol. 17 № 4, december 2008.

Анотация. В статье рассматриваются возможности построения ЭМС для инверторов напряжения, которые используют ШИМ (широтно-импульсную модуляцию). В работе предлагается возможность подавления помех задаваемих частотой работы регулируемых приводов. Возможные помехи инверторов и их устранение описаны в первой части статьи, а реальные примеры в конце.

Ключевые слова

ЭMC, инвертор, преобразователь, синусоидальный фильтр.

1. Введение

Использование частотно-регулируемых приводов с двигателями переменного тока (например, асинхронные или синхронные) значительно увеличелось за последние несколько лет. Диапазон мощностей приводов достигает нескольких МВт. В инверторах в качестве устройства переключения используются IGBT (биполярные транзисторы с изолированные затвором) или GTO тиристоры. Частота переключений изменяется в диапазоне от сотни Гц до десятков кГц. Высокий диапазон изменения напряжения и тока - причина высокой частоты переключений. В связи с этим проблема совместимости привода повышается. Задача статьи -обобщить основные правила построения ЭMC приводов. Различные примеры были опубликованы в [1], [2], [3] и [4] статье. В данной работе приводятся другие практические решения из практики авторов. Аналитические методы решения являются неэффективными для ЭMC приводов даже в лабораторных условиях, а тем более в промышленных предприятиях. Для достижения удовлетворительного результата ЭMC приводов, необходимо соблюдать все правила при проектировании, монтаже и эксплуатации оборудования. Однако с точки зрения ЭMC соблюдение правил не всегда обеспеченивают качественную работу привода. В случае устранения проблемы совместимости, необходимо использовать эмпирические методы.

2. Преобразователь частоты и его типичные проблемы ЭМС

Привод с асинхронным двигателем и частотным преобразователем очень часто используется. Для сервоприводов, синхронных двигателей с постоянными магнитами использование преобразователей является типичным случаем. Мощности преобразователей частоты идентичны, для обеих групп приводов. Топологию преобразователя можно увидеть на Рисуноке 1. Преобразователь частоты обычно состоит из следующих частей:

на входе преобразователя используется выпрямительный диодный мост (три фазы или одна фаза для маломощных преобразователей)
выпрямленное напряжение сглаживается конденсатором шины постоянного тока
тормозной прерыватель с тормозным резистором подключен к шине постоянного тока при торможении
на выходе используется инвертор напряжения состоящий из IGBT транзисторов (чаще всего)
в инверторе напряжения используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с несущей частотой в диапазоне от 1 кГц до 20 кГц

Рисунок 1 – Топология преобразователя частоты.

Типичные помехи, вызванные преобразователем:

пемехи сети - работа преобразователя частоты загружает сеть путем высших гармоник тока
помехи на выходе преобразователя - высокая производная по напряжению (dU/dt) и току (di/dt) отрицательно влияет на двигатель (выше критическое напряжение изоляции, высокая критическая температура, большие шумы, пульсацая момента)
высокочастотные помехи в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц на входе и выходе отрицательно влияют на управляющий сигнал, радио и ТВ сигнал, систему безопасности и т.д.
излучение до 1 ГГц

входные фильтры
выходные фильтры
место расположения привода в соответствии с ЭMC

Рисунок 2 – Преобразователь частоты с типичными защитами против помех оборудования.

3. Стандарты

Стандарты ЭMC электронного оборудования для преобразователей частоты действующие в Чехии:

(CSN) EN 61800-3 - Электропривод с регулированием скорости системами силового привода. Часть 3: Требования к электромагнитной совместимости и специальные методы испытаний.
(CSN) EN 61000-6-1 - Защищенность для жилых, коммерческие и промышленные помещения
(CSN) EN 61000-6-2 - Помехоустойчивость для промышленных зон
(CSN) EN 61000-6-3 - Стандарт выбросов для жилых коммерческие и промышленные помещения.
(CSN) EN 61000-6-4 - Стандарт выбросов в промышленной среде.

4. Использование входных фильтров для устранения помех оборудования

В входных цепях преобразователя частоты обычно используют один или три фазных выпрямителя. Выпрямитель нагружен конденсатором в звене постоянного тока. В связи с этим, входной ток состоит из высоко коротких импульсов. Импульсы, вызванные зарядкой конденсаторов в звене постоянного тока в момент максимального напряжения. В случае с трехфазным выпрямителем есть два импульса на половине периода напряжения питания. Вся энергия, которая расходуется на преобразователь, должна быть передана в течение этих импульсов. В случае с однофазным выпрямителем, входной ток состоит из одного импульса в половину периода напряжения. Входной ток трехфазного выпрямителя приведен на Рисунке 3. На нем видно щирокий спектр гармоник от входного тока. Чтобы избежать выбросов широкого спектра, надо разделить проблемы в высокочастотном диапазоне и низкой полосе частот. Для подавления высокочастотных помех используют входной фильтр. Так как его всегда следует использовать, он часто интегрируется в преобразователь. Фильтр позволяет избежать помех на высоких частотах в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц.

Рисунок 3 – Входной ток преобразователя при нагрузке 4 кВт.

Фильтр потребляет также реактивную мощность. В случае параллельной работы двух или более преобразователей, может использоваться один фильтр. Очевидно, что фильтр должен быть рассчитан по параметру общего тока.

5. Использование входного реактора для устранения помех оборудования

Чтобы ограничить спектр входного тока, может использоваться входной реактор. Реактор влияет на работу диодов выпрямителя. Реактор необходим при высокой мощности короткого замыкания в электрической сети (по крайней мере в 10 раз больше мощности преобразователя). Реактор не являются необходимым компонентом для преобразователей с номинальной мощностью до 5 кВт или для сети с низкой мощностью короткого замыкания. Некоторые производители используют интегрированные реакторы в преобразователях. В некоторых случаях, реактор связан между выпрямителем и сглаживающим конденсатором. Когда реактор наружный и используется входной фильтр, порядок размещения должен осуществляться без влияния на правильное функционирование преобразователя. При параллельном подключении, у каждого преобразователя должен быть сой реактор. Параметры реактора зависят от номинального тока преобразователя. Рекомендуемая индуктивность реактора снижается с увеличением тока. Пример:

  Индуктивность    Номинальный ток 

     10 мГн           5 А

     1 мГн            20 А

     0,4 мГн          80 А

Низкая индуктивность не ограничивает достаточно ток входного импульса. Однако слишком высокая - негативно влиянияет на защиту преобразователя.

6. Использование импульсного выпрямителя для устранения помех оборудования

Импульсные выпрямители являются эффективными решениями устранения помех низкой частоты. Входной ток меньше для доминирующих гармоник (3-й, 5-й, 7-й и более). Топология выпрямителя аналогична топологии инвертора напряжения. Выпрямитель использует также длительность импульса модуляции. Однако управление выпрямителя отличается. Основным критерием является поддержание постоянного напряжения на конденсаторе звена постоянного тока, вторичным же синусоидальность входного тока. Возможность рекуперации энергии в сеть при торможении является еще одним преимуществом. Преобразователи частоты с импульсными выпрямителями производятся в основном для высоких мощностей, как правило более 10 кВт. Это обусловлено тем что ПЧ с импульсным выпрямителей отличается высокой цене, чем преобразователь с стандартным выпрямительным диодным мостом. Преобразователи с импульсными выпрямителями в основном используют для приводов с частыми динамическими торможениями. Благодаря возможности рекуперации, использование этого преобразователя позволяет экономить энергопотребление.

7. Выходные помехи - пики тока и напряжения

Время переключения IGBT транзисторов составляет от 0,1 мкс до 1 мкс. При этом, скорость увеличения напряжения достигает до 5000 В / мкс. Некоторые производители преднамеренно продляют время переключения IGBT транзисторов привода. Однако это приводит к увеличению потерь переключения. При высокой скорости увеличения напряжения в кабеле ярко проявляются емкостные и индуктивные составляющие,что негативно отображается на работу привода (кабель между преобразователем и двигателем). Схема замещения кабеля представлена на Рисуноке 4.

Рисунок 4 – Составляющие кабеля.

Выходное напряжение преобразователя состоит из импульсов напряжения с высокой скоростью увеличения. Каждый импульс напряжения вызывает волны напряжение в кабеле. Напряжение волны частично проходит через кабель и частично отражается от точки импеданса изменения волны. Дело, как правило, в начале и в конце кабеля. Если конец кабеля открыт, напряжение волны отражается с той же полярностью. Если конец замкнут, волна отражается с отрицательной полярностью. Преобразователи ведут себя как источники напряжения с низким сопротивлением. Однако сопротивление двигателя намного больше чем волновое сопротивление кабеля. Таким образом, двигатель ведет себя как открытый конец кабель. Если в кабеле небыло потерь, напряжение в точке будет равняться сумме всех отраженных волн.

Рисунок 5 – Отражение волны напряжения между преобразователем и двигателем.

Из-за отражения, фактическое напряжение на клеммах преобразователя или двигателя может подняться до двух раз больше напряжения в звене постоянного тока. Амплитуда пиков перенапряжения зависит от параметров кабеля и скорости нарастания напряжения. Влияние параметров кабеля возрастает с его длиной. Пики тока могут подняться во время работы преобразователя, только от перенапряжений. Нынешние пики вызванные зарядкой паразитической емкостью кабеля.

Заключение

Проблемы ЭMC стали очень актуальными для всех отраслей электротехники, в том числе и для электроприводов. Статья предлогает практические методы для достижения удовлетворительной ЭMC частотно - регулируемых приводов. В ней излогаются типичные правила решения проблем электромагнитной совместимостьи основание на опыте авторов.

Ссылки

[1] PAUL, C. R. Introduction to Electromagnetic Compatibility. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2006.

[2] LETTL, J., FLIGL, S. Electromagnetic compatibility of matrix converter system. Radioengineering, 2006, vol. 15, no. 4, p. 58 – 64.

[3] DOLECEK, R., HLAVA, K. Transient effects at power-supply system of the Czech Railways from EMC viewpoint. Radioengineering, 2007, vol. 16, no. 1, p. 40 – 44.

[4] WILDI, T. Electrical Machines, Drives, and Power Systems. 6th ed. Pearson Prentice Hall, 2006.