Wzrost liczby instalowanych na całym świecie napędów o zmiennej częstotliwości (Variable Frequency Driver – VFD) wiąże się z tym, że zaczynają one być wykorzystywane w coraz bardziej wymagających środowiskach. Dotyczy to zresztą nie tylko środowisk – same napędy również mają kilka charakterystycznych cech, które mogą wpływać na osiągi i działanie całego systemu.
Prawidłowy dobór sprzętu pomaga w eliminowaniu problemów, takich jak zakłócenia elektromagnetyczne, zaburzenia częstotliwości harmonicznych na wejściu napędu, a także impulsy napięciowe oraz prądy zwarciowe i zakłóceniowe na wyjściu. Każdy z tych problemów powinien zostać rozważony w fazie projektowania, tak aby w efekcie końcowym zwiększyć ogólną wydajność systemu podczas jego działania.
Gdy wiele systemów elektrycznych zainstalowanych jest na tym samym obszarze, sprzęt w sieciach zaczyna oddziaływać na siebie wzajemnie. Zjawisko to często nazywa się zakłóceniami elektromagnetycznymi (electromechanical interference – EMI). Może prowadzić do wielu problemów w sieci, w tym ostatecznie do uszkodzenia sprzętu.
Wielu instalatorów i integratorów zwraca się obecnie ku najprostszemu i najtańszemu rozwiązaniu – filtrom zakłóceń EMI. Filtry te mają małe wymiary i są łatwe w instalacji. Montuje się je od strony sieci zasilającej system napędowy, aby tłumiły niepożądane wysokie częstotliwości, związane z siecią zasilającą wiele odbiorników. Normy międzynarodowe, takie jak IEC 61000-6-4 Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (International Electrotechnical Commission), ustanowiły wytyczne dotyczące akceptowalnych poziomów zakłóceń elektromagnetycznych w systemach przemysłowych. Integratorzy powinni znać te wytyczne i odpowiednio dobierać podzespoły do systemów.
Problem wyższych harmonicznych
Wyższe harmoniczne są obecne w każdej aplikacji napędów VFD. Powstają w odbiornikach nieliniowych, właśnie takich jak VFD. Prądy niesinusoidalne, występujące we wszystkich napędach wykorzystujących diody lub półprzewodnikowe elementy przełączające na wejściu, mogą prowadzić do występowania wyższych harmonicznych prądów w systemie. Wyższe harmoniczne prądów mogą spowodować pewne problemy w systemach, takie jak przegrzewanie się komponentów, zmniejszenie współczynnika mocy oraz nieprawidłowe funkcjonowanie sprzętu.
Istnieje kilka różnych rozwiązań komponentów systemu, które są wykorzystywane przez integratorów do ograniczania wyższych harmonicznych prądów we współczesnych instalacjach. Jedną z najbardziej powszechnych metod jest stosowanie dławika sieciowego. Jak wskazuje nazwa, instalowane są one od strony sieci zasilającej system napędowy. Prosty dławik sieciowy o impedancji 3% obciążenia może zmniejszyć zawartość wyższych harmonicznych prądów w systemie o ponad 30%.
Sam dławik jest zwykłą cewką o określonej impedancji. Dodanie tej impedancji do dowolnego systemu pomaga ograniczać wyższe harmoniczne w każdej sytuacji. Przed zainstalowaniem jakiegokolwiek przemysłowego czy komercyjnego systemu z napędem VFD należy się odnieść do norm międzynarodowych, takich jak IEE 519 i IEC 610003-2. Proste dodanie dławika sieciowego poprawi ogólną sprawność systemu, zmniejszy koszty konserwacji komponentów i wydłuży czas eksploatacji sprzętu w systemie.
Niektóre zjawiska na wyjściu napędów czasami powodują problemy, które mogą prowadzić do zwiększonych naprężeń mechanicznych w silnikach i wydłużenia czasu przestoju systemu. Powszechnym problemem na wyjściu napędów VFD są impulsy napięciowe. Półprzewodnikowe elementy przełączające znajdujące się w napędach VFD realizują bardzo szybkie procesy włączania i wyłączania, co powoduje generowanie impulsów napięciowych o wartości przekraczającej napięcie znamionowe zasilanego silnika.
W zależności od długości kabli pomiędzy modułem sterownika napędu a silnikiem, wartości szczytowe impulsów napięciowych często mogą przekraczać 1200 V w instalacji trójfazowej 480 V (dot. rynku amerykańskiego – przyp. tłum.). Im dłuższe kable, tym większe impulsy napięciowe. Impulsy te doprowadzą w końcu do degradacji izolacji i uszkodzeń uzwojeń silników. W niektórych aplikacjach ze względu na otoczenie zainstalowanego systemu wymagane są długie kable zasilające silniki.
Filtrowanie impulsów napięciowych
Wzór dV/dt reprezentuje szybkość zmian napięcia w czasie. Integratorzy systemów zwracają się ku filtrom dV/dt, które ograniczają impulsy napięciowe w ich systemach. Filtry te instaluje się na wyjściu napędu VFD, przed silnikiem w systemie. Filtry dV/dt tłumią impulsy napięciowe do takiego poziomu, z którym silniki i ich uzwojenia mogą sobie lepiej radzić. Zwiększony poziom zabezpieczeń urządzeń doprowadzi do ogólnego wydłużenia ich żywotności i skrócenia czasu przestoju sprzętu, spowodowanego przez uszkodzenia impulsami napięciowymi.
Podobnie jak dławiki sieciowe i filtry EMI instalowane od strony sieci zasilającej, filtry dV/dt są łatwe w instalacji i niedrogie, szczególnie w porównaniu z kosztami wymiany uszkodzonych silników. Najczęściej filtry te wykorzystuje się w przypadku silników pracujących w trudnych warunkach, na przykład na platformach wiertniczych, statkach i w kopalniach.
Innym powszechnie spotykanym problemem na wyjściu napędów VFD jest obecność zaburzeń różnicowych (differential-mode) i wspólnych (common-mode). Są to zniekształcenia prądów wyjściowych napędów VFD, często nazywane odpowiednio zaburzeniami asymetrycznymi i symetrycznymi.
Podobnie jak w przypadku impulsów napięciowych, zniekształcenia prądów powodowane są szybkimi przełączeniami, realizowanymi w napędach VFD. Mają one negatywny wpływ na silniki – powodują zarówno słyszalny hałas i większe straty cieplne, jak i przegrzewanie się urządzeń w przypadku zignorowania wspomnianych objawów.
Rozwiązania pozwalające na eliminację zniekształceń harmonicznych
Istnieje kilka powszechnie stosowanych rozwiązań, mających na celu ograniczanie zniekształceń prądów. Koncentrując się na najprostszych i najbardziej opłacalnych opcjach – bardzo dobrym rozwiązaniem jest dławik wyjściowy. Instaluje się go na wyjściu napędu VFD, przed silnikiem w topologii systemu. Dławik wyjściowy działa w ten sam sposób co dławik sieciowy, a w rzeczywistości wielu producentów wytwarza ten sam dławik jako wymienny pomiędzy siecią zasilającą a obciążeniem. Indukcyjność dławika wygładza zniekształcenia prądu wyjściowego napędu VFD, a ponadto tłumi impulsy napięciowe generowane przez półprzewodnikowe elementy przełączające napędu. Wskutek tego hałas silnika i straty cieplne zostają znacznie zmniejszone.
W systemach z długimi kablami, tzn. ponad 100 m, pomiędzy napędami VFD a silnikami istnieją zarówno impulsy napięciowe, jak i zniekształcenia prądów. W takich aplikacjach można wykorzystać filtry sinusoidalne. Zawierają one elementy LC, które powodują otrzymanie przebiegu sinusoidalnego na ich wyjściu. Łącząc zalety dławików dV/dt i sieciowych, filtr sinusoidalny wydłuża żywotność silnika, jednocześnie zmniejszając hałas, straty cieplne i ograniczając impulsy napięciowe.
Podsumowanie
Podczas projektowania systemu napędowego należy wziąć pod uwagę zalety wszystkich opisanych elementów. Staranne przygotowanie w fazie projektowania zmniejszy prawdopodobieństwo realizacji kosztownych napraw i ewentualnej wymiany sprzętu w przyszłości. Zastosowanie jednego z tych pięciu powszechnie wykorzystywanych rozwiązań na wejściu lub wyjściu napędu VFD przyczyni się do zwiększenia ogólnej sprawności systemu i wydłużenia żywotności jego komponentów. Rozwiązania te są oferowane przez wielu producentów. Integratorzy systemów są odpowiedzialni za upewnienie się, że zainstalowano poprawnie dobrane elementy.
Autor: Alex Ward jest inżynierem sprzedaży w firmie REO-USA.
Tekst pochodzi z nr 1/2017 magazynu „Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
