Elektromagnetisk kompatibilitet vid användning av frekvensomriktare

Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) Detta är förmågan hos elektrisk eller elektronisk utrustning att fungera normalt i närvaro av elektromagnetiska fält. Samtidigt får utrustningen inte störa driften av annan utrustning eller system i närheten.

International Energy Commission (IEC) EMC-direktivet ställer krav på immunitet och emission för elektrisk utrustning som används inom Europeiska ekonomiska samarbetsområdet. EMC EN 61800-3-standarden täcker kraven för frekvensomformare.

Frekvensomformaren drar ström från källan endast under perioder då det momentana värdet av sinusvågen för kraftkällan är högre än DC-mellanspänningen, d.v.s. i toppkällspänningsområdet. Som ett resultat flyter strömmen inte kontinuerligt, utan intermittent, med mycket höga toppvärden.

Denna typ av strömvågform inkluderar, tillsammans med grundfrekvenskomponenterna, en mer eller mindre hög andel övertonskomponenter (matningsövertoner).

I trefasfrekvensomformare består de huvudsakligen av 5:e, 7:e, 11:e och 13:e övertonerna. Dessa strömmar orsakar förvrängning av matningsspänningens vågform, vilket påverkar andra elförbrukare i samma nätverk.

Dessutom orsakar växelströmmar fluktuationer i effektfaktorkorrigeringskretsar under vissa kritiska förhållanden som kan leda till överspänning.

Förhållandena är kritiska när:

• minst 10 — 20 % av installationens effekt bildas av växelriktaren och frekvensomformarens okontrollerade likriktare;

• kompensationskretsen fungerar utan avbrott;

• det lägsta kompensationssteget skapar en resonanskrets tillsammans med matningstransformatorn och en resonansfrekvens nära 5 eller 7 övertoner på 50 Hz, d.v.s. runt 250 eller 350 Hz.

Som ett resultat av den mycket snabba omkopplingen av invertertransistorerna vid pulsbreddsmodulering akustiska effekter observeras, som har en negativ inverkan på elnätet och elmotorn.

Den snabba omkopplingen av växelriktarens transistoromkopplare resulterar i en bredbandsstörningssignal som påverkar miljön genom motorkablarna. De kontinuerliga förändringarna i induktansen som orsakas av PWM- och DTC-styrspänningsintervallen resulterar i små förändringar i längden på motorkärnskivorna (magnetostriktion), vilket resulterar i ett karakteristiskt modulerat brus i motorstatorns kärnstapel.

Utspänningen från frekvensomformaren är högfrekvent rektangulärt pulståg med olika polaritet och varaktighet med samma amplitud.Brantheten på spänningspulsens framsida bestäms av växlingshastigheten för omriktarens strömbrytare och är annorlunda vid användning av olika halvledarenheter (till exempel: för IGBT transistorer det vill säga 0,05 — 0,1 μs).

Passagen av en pulssignal med en brant front orsakar vågprocesser i kabeln och leder till överspänningar i motorklämmorna.

Längden på motorkabeln beror på längden på den högfrekventa vågen (pulsfronten) som utbreder sig genom den. Kritisk är en kabellängd lika med halva våglängden vid vilken spänningspulser appliceras på induktionsmotorns lindningar, som är nära i storleksordningen två gånger DC-mellanspänningen.

I elektriska drivningar för spänningsklass 0,4 kV kan överspänningen nå 1000 V. Detta problem kallas långkabelproblem.

Blockschema över en frekvensomformare med in- och utgångsfilter

För att uppfylla kraven i EMC-standarder används nätdrossel och EMC-filter i frekvensomformare.

EMC-filter minskar det akustiska bruset som avges av givaren och för de flesta typer av givare är fabriksinbyggda i sondhuset. Ledningsreaktorer är utformade för att reducera höga inkopplingsströmmar och därför övertoner i linjeströmmen och för att förbättra överspänningsskyddet för den reglerade frekvensomformaren.

Lösningen på problemet med "lång kabel" är behovet av att tillämpa tekniska lösningar för att begränsa överspänningar och inkopplingsströmmar i elmotorns terminaler. Dessa inkluderar installation av utgående drosslar, filter, sinusformade filter.

Frekvensomvandlarens anslutningsschema

Utgångsdrosslar tjänar i första hand till att begränsa de strömspikar som uppstår i långa motorkablar på grund av överladdning av kabeluttagen och minska spänningsökningen vid motorklämmorna något, men de minskar inte spänningstopparna vid motorklämmorna.

Linjär choke

Filtren skyddar motorisoleringen genom att begränsa spänningsökningen och reducera spänningstopparna vid motorterminalerna till icke-kritiska värden, medan filtren minskar strömtopparna som uppstår när kabelbehållarna periodvis laddas om.

EMC-filter

Sinusformade filter ger en nästan sinusformad spänning vid omvandlarens utgång.

Dessutom minskar sinusformade filter ökningshastigheten för motorterminalspänningen till ett värde, tar bort spänningstoppar, minskar ytterligare förluster i motorn och minskar motorljud.

För långa motorkablar minskar sinusformade filter strömtopparna som genereras av periodisk omladdning av kabelbehållarna.

Förutom ovanstående metoder för att begränsa överspänningar i elmotorns terminaler, bör två effektiva sätt att lösa problemet med en lång kabel noteras, som inte kräver stora investeringar och kan utföras direkt av användaren:

1. Installation av en serie LC — filter vid utgången av frekvensomformaren för att minska brantheten i framkanten av växelriktarens utspänningspulser;

2.Installation av ett parallellt RC-filter direkt till motoranslutningarna för att matcha kabelns vågimpedans.

Förutom ovanstående metoder för att säkerställa elektromagnetisk kompatibilitet, bör det noteras behovet av att använda skärmade kablar för att ansluta frekvensomformaren och elmotorn. För effektiv dämpning av utstrålad högfrekvent störning bör skärmens konduktivitet vara minst 1/10 av fasledarens konduktivitet.

En av parametrarna som gör det möjligt att utvärdera skärmens konduktivitet är dess induktans, som bör vara liten och bero så lite som möjligt på frekvensen. Dessa krav uppfylls lätt med en koppar- eller aluminiumsköld (pansar).

Skärmningarna på kabeln som förbinder frekvensomformaren och motorn måste vara jordade i båda ändar Ju bättre och tätare skärm, desto lägre strålningsnivå och storleken på strömmen i motorlagren.

Skärm på motorkabeln för frekvensomformaren

Skölden består av ett koncentriskt lager av koppartrådar och en lindad kopparremsa.

Normalt är styrkabelns skärm jordad direkt till frekvensomformaren. Den andra änden av skärmen lämnas ojordad eller ansluten till jord via en högspännings högfrekvent kondensator på några nF.

Det rekommenderas att använda en partvinnad kabel med två skärmar för att ansluta analoga signaler. Användningen av en sådan kabel rekommenderas också för att ansluta signaler från en impulshastighetssensor. En kabel med separat skärm ska användas för varje signal.

För digitala lågspänningssignaler rekommenderas även att använda en dubbelskärmad partvinnad kabel, men flera partvinnade kablar med en gemensam skärm kan användas.

Dubbelskärmad tvinnad parkabel (a) och kabel med flera tvinnade par och en gemensam skärm (b)