Efektywność tłumienia prądów doziemnych silnika filtrami LC w napędach z falownikami napięciowymi zasilanymi z sieci TN

Stosowanie dwupoziomowych trójfazowych falowników napięciowych z modulacją PWM niesie ze sobą wiele negatywnych konsekwencji. Falowniki napięciowe są generatorami trójfazowych napięć odkształconych i w konsekwencji napięcie punktu neutralnego N” uzwojeń stojana zasilanego silnika indukcyjnego nie jest równe zeru. Wynika to z faktu, że suma napięć fazowych falownika nie jest równa zeru (rys. 1.) [19]. Napięcia fazowe falownika mogą być tutaj definiowane jako: u_UN’’, u_VN’’, u_WN’’ lub u_UN’, u_VN’, u_WN’, lub u_UN, u_VN, u_WN.

Falowniki napięciowe wytwarzają dwa rodzaje napięć zaburzających. Falowniki są źródłem napięcia zaburzeń typu DM (ang. differential mode voltage – napięcia zaburzeń różnicowych). Napięcie DM to napięcie powstające pomiędzy dwoma dowolnymi fazami na wyjściu falownika, mające prostokątny kształt. Im to napięcie ma większą stromość narastania (du/dt) i większą amplitudę (U_U-V=U_DC=E), tym większe przepięcia pojawiają się w uzwojeniach stojana silnika. Przepięcia te mogą doprowadzić do zniszczenia izolacji uzwojeń stojana silnika [1], [2].

Kolejną przyczyną zaburzeń w pracy silnika i urządzeń identyfikacji zwarć doziemnych (wyłączników różnicowoprądowych, przekładników prądowych) jest napięcie zaburzeń wspólnych CM (ang. common mode voltage). Pojawia się ono wówczas, gdy suma napięć fazowych na wyjściu falownika nie jest równa zero. W rezultacie powstaje wtedy prąd zaburzeń wspólnych (prąd CM), który najpierw dociera przez pojemności doziemne przewodu silnikowego oraz uzwojeń silnika do przewodu ochronnego PE, następnie przez obwód zasilania przemiennika częstotliwości wpływa do obwodu prądu stałego dc zasilania falownika [1], [3], [4], [5], [20]. Napięcie zaburzeń wspólnych CM jest definiowane wzorem:

(1)

gdzie:
u_UN’, u_VN’, u_WN’ – napięcia fazowe pomiędzy wyjściami falownika a punktem neutralnym obwodu dc.

Napięcie zaburzeń wspólnych CM może mieć wiele negatywnych konsekwencji dla układu napędowego. Napięcie CM pomiędzy wałem silnika i łożyskami powoduje przepływ wysokoczęstotliwościowego prądu, który może zniszczyć łożyska [6], [16]. Jeśli silnik jest uziemiony wspólnie z innymi wrażliwymi odbiornikami, to wskutek zaburzenia potencjału uziemienia może prowadzić do zakłóceń w pracy tych odbiorników [7]. Ponadto przepływ wysokoczęstotliwościowego prądu zaburzeń CM od instalacji ochronnej do obwodu dc zasilania falownika zakłóca pracę czujników prądów zwarć doziemnych. Dopuszczone poziomy zaburzeń przewodzonych o częstotliwościach radiowych są określone normą PN-EN 61800-3. Prądy upływu doziemnego o częstotliwościach mniejszych od częstotliwości radiowych są ograniczone czułością stosowanych wskaźników zwarć doziemnych.

Prowadzone są badania efektywności różnych konfiguracji silnikowych filtrów pasywnych i aktywnych, eliminujących nadmierny poziom zaburzeń doziemnych powodowanych falownikami w napędach zasilanych z sieci uziemionych [17], [18], [19]. Autorzy zaproponowali zastosowanie wybranych rodzajów filtrów LC i przeprowadzili weryfikację ich skuteczności w napędach z falownikami napięciowymi zasilanych sieciami uziemionymi o układzie zasilania TN [20].