Обеспечение электромагнитной совместимости преобразователей частоты с помощью выходных фильтров фирмы SCHAFFNER (стр. 1 из 2)

Обеспечение электромагнитной совместимости преобразователей частоты с помощью выходных фильтров фирмы SCHAFFNER

В настоящее время на рынке приводной техники наблюдается ряд тенденций, которые могут значительно повлиять как на надежность систем электропривода в целом, так и на принимаемые для ее обеспечения меры. К таковым можно отнести:

миниатюризацию как преобразователей, так и двигателей, часто в сочетании с экономией средств за счет снижения уровня изоляции обмоток двигателя;

модернизацию двигателей и электроприводов в существующих установках, содержащих двигатели старых типов и неэкранированные кабели;

тенденцию к использованию высокооборотных двигателей с малыми маховыми массами (например, высокоскоростных шпинделей);

новые технологии в области создания низкоскоростных двигателей с большим количеством полюсов (например, электроприводы подачи с высокомоментными двигателями в металлорежущих станках).

Электроприводы являются хорошо известным источником помех и обычно оснащаются входными фильтрами. Однако немногим известно о проблемах, возникающих со стороны выхода силового преобразователя, выдающего на двигатель напряжение с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Ниже рассмотрены наиболее типичные явления, связанные с питанием двигателей от полупроводниковых преобразователей.

1. Высокая скорость нарастания напряжения (dU/dt)

Для обеспечения высокого к.п.д. полупроводниковых преобразователей желательно иметь минимальное время переключения силовых компонентов. Скорость нарастания напряжения при коммутации IGBT последнего поколения уже составляет порядка 12 кВ/мкс, притом что допустимая для двигателей величина (зависящей от типа двигателя) не превышает 1000 В/мкс (напр. немецкий стандарт VDE: от 500 до 1000 В/мкс).

Рис. 1. Определение dU/dt

При коротких кабелях, идущих к двигателю (до 20 м), высокие значения dU/dt воздействуют непосредственно на обмотки двигателя, т.к. индуктивность кабеля невелика. При этом параллельные и находящиеся в непосредственной близости друг от друга проводники обмоток могут находиться под полным входным напряжением. Поскольку параллельные проводники фактически представляют собой конденсатор, при постоянном воздействии импульсов напряжения возникают паразитные емкостные токи. Из-за неоднородностей эмалевого покрытия, которые всегда присутствуют в той или иной мере, возникают участки локальной концентрации токов утечки, получившие название «горячих пятен» (hot spots). Как следствие, изоляция в соответствующих местах постепенно разрушается. Таким образом, воздействие крутых фронтов напряжения приводит к ускоренному старению изоляции и снижению срока службы двигателя.

2. Переходные процессы и перенапряжения

Перенапряжения часто связаны с высокими значениями dU/dt, но могут представлять собой и самостоятельную проблему. Из-за физических свойств обмоток схема замещения двигателя содержит емкость, подключенную параллельно выводам обмоток. Как следствие в случае импульсных напряжений двигатель ведет себя как конденсатор, а не как индуктивность (при питании синусоидальным напряжением с частотой 50 Гц). Кабель, идущий к двигателю, привносит в цепь индуктивность, величина которой растет с увеличением длины кабеля. Указанная индуктивность фактически играет роль дросселя в колебательном контуре. При питании цепи импульсами напряжения в ней возникают перенапряжения при каждой коммутации силовых ключей преобразователя. Амплитуда указанных перенапряжений тем выше, чем выше индуктивность кабеля (и, соответственно, накопленная в нем энергия). При этом перенапряжения могут достигать значений, опасных для изоляции двигателя. С другой стороны снижается воздействие на двигатель высоких значений dU/dt на выходе преобразователя вследствие «заваливания» фронтов за счет большой индуктивности кабеля. Тем не менее, пиковые значения напряжения могут достигать 1600 В или более (в зависимости от напряжения в звене постоянного тока) которые также могут иметь с очень высокие значения dU/dt, что связано с отражениями сигнала в длинной линии. В соответствие со стандартом VDE 0530 рекомендуется обеспечить пиковые значения не более 1000 В. Несмотря на снижение влияния dU/dt с выхода преобразователя, условия работы двигателя не улучшаются, т.к. перенапряжения в данном случае являются доминирующим фактором.

Рис. 2. Эквивалентная цепь для одной фазы системы с длинным кабелем

3. Дополнительные потери в двигателе

Помимо проблем с изоляцией обмоток прямоугольная форма напряжения на выходе преобразователей приводит к еще одному неприятном явлению – появлению высших гармоник в выходном токе. С помощью разложения в ряд Фурье можно показать, что ширина частотного спектра выходного сигнала (т.е. содержание в нем высших гармоник) увеличивается с ростом крутизны его фронтов. Пульсации тока, обусловленные ШИМ и гармониками, ведут к возрастанию потерь в стали. Как следствие срок службы двигателя существенно снижается из-за постоянной работы при повышенной температуре.

4. Токи утечки на землю

С точки зрения обеспечения защиты от электромагнитных помех для подключения двигателя необходимо использовать экранированные кабели, исключающий замыкание паразитных токов через сетевые кабели на частотах от 1 до 30 МГц. Однако эта мера эффективна только при условии, что экран заземляется как со стороны двигателя, так и со стороны преобразователя, причем указанные заземления должны иметь минимальное сопротивление на высоких частотах. Это обеспечивает замыкание паразитных токов на их источник (т.е. на преобразователь) по кратчайшему маршруту.

Обычно преобразователи работают в заземленных сетях и не имеют какой-либо гальванической развязки. Как следствие, двигатель и кабель, идущий к нему, образуют своего рода «расширение» архитектуры преобразователя с паразитными емкостями между землей и токоведущими частями и компонентами, находящимися под напряжением. При переключении напряжения звена постоянного тока с помощью полупроводниковых компонентов возникают скачки потенциала, что приводит к появлению импульсных токов утечки на землю через указанные емкости. Величина этих токов определяется как величиной паразитных емкостей, так и скоростью нарастания напряжения (I = C x dU/dt). При длине кабеля порядка 100 м импульсы тока с амплитудой 20 А и более являются весьма распространенным явлением, причем указанная амплитуда не зависит от мощности электропривода.

Частотный спектр рассмотренных токов простирается до нескольких мегагерц. Плетеный экран кабеля, имеющий достаточную поверхность и сечение, имеет малое сопротивление на высоких частотах и обеспечивает эффективное отведение паразитных токов. Потери на скин-эффект при этом невелики, благодаря большой поверхности экрана. Однако некачественные соединения с землей (так называемые «хвосты» [pigtails]) имеют большое сопротивление на высоких частотах и часто сводят на нет весь эффект от экранирования.

При наличии параллельных контрольных кабелей или чувствительных устройств вблизи кабелей, идущих к двигателю, возникают дополнительные емкостные связи, которые могут привести к недопустимому влиянию импульсных токов на внешнее оборудование.

Кроме того, при расположении внешних компонентов вблизи силовых кабелей возможно образование замкнутых контуров, в которых под влиянием высоких значений di/dt в экране, наводится э.д.с., что также приводит к проблемам с помехоустойчивостью.

Токи, протекающие через экран кабеля, идущего к двигателю, являются дополнительной нагрузкой на преобразователь. Их величина не зависит от типоразмера преобразователя и определяется лишь геометрическими параметрами системы. В случае электроприводов на небольшие мощности это может привести к необходимости завышения типоразмера преобразователя, особенно при значительной длине кабеля.

По этой же причине питание группы двигателей от одного преобразователя частоты является не самой удачной идеей. Параллельное подключение сразу нескольких кабелей с заземленным экраном приводит к повышению паразитной емкости между выходом преобразователя и землей и соответствующему увеличению токов утечки. Параллельное же включение нескольких преобразователей может приводить к еще большим проблемам. Паразитные токи в двигателе и в системе в целом могут привести к значительному снижению надежности работы оборудования.

5. Подшипниковые токи

При рассмотрении подшипниковых токов следует различать два различных по своей физике явления:

Напряжение на валу (в теле ротора) появляется как результат наводок, обусловленных асимметрией магнитных потоков статора и ротора. Основным влияющим фактором в этом случае является длина двигателя. При этом напряжение между ротором и статором растет до тех пор, пока не происходит пробой масляной пленки подшипников с замыканием тока по пути наименьшего сопротивления. Подшипниковый ток при его длительном воздействии приводит к эрозии рабочих поверхностей подшипника и выходу двигателя из строя. Одним из способов противодействия данному явлению является использование керамических подшипников.

Напряжение на валу носит характер синфазной помехи, возникающей из-за паразитных емкостей между обмотками и статором, ротором и корпусом двигателя. Соответствующие емкостные токи замыкаются через подшипники. При этом существует две фазы явления. В первые минуты работы двигателя при холодной смазке через собственную емкость подшипника (образованную рабочими поверхностями и масляной пленкой, играющей роль диэлектрика. – прим. перев.) протекают токи величиной от 5 до 200 мА, возникающие в моменты, соответствующие фронтам напряжения статора (при больших dU/dt). Указанные токи невелики и обычно не приводят к каким-либо повреждениям подшипников. Через некоторое время происходит нагрев масляной пленки, и максимальные значения токов достигают 5-10 А. Возникает искрение, приводящее к эрозии рабочих поверхностей. Это в свою очередь приводит к повышению трения в подшипниках и их ускоренному износу. Типичное напряжение между рабочими поверхностями составляет от 10 до 30 В. При этом выраженность явления зависит от напряжения питания двигателя, и при его увеличении скорость разрушения подшипников непропорционально увеличивается.