Niskonapięciowy przemiennik częstotliwości w awaryjnych stanach pracy napędu
The low voltage freqency converter in failover conditions of drive
Artykuł analizuje przypadkowo zachodzące reakcje i odporność przemiennika częstotliwości na zdarzenia awaryjne w torze prądowym napędu.
Napięciowe
przemienniki częstotliwości eksploatowane w warunkach przemysłowych są
narażone na uszkodzenia ze względu na różne przypadkowe zdarzenia
o charakterze mechanicznym i elektrycznym. Nadmierne wibracje,
zapylenie i zawilgocenie bywają często przyczynami poważnych awarii
obwodów elektrycznych tych urządzeń. Praca w wysokich temperaturach
otoczenia, a także gwałtowne jej zmiany, prowadzą do ich przyśpieszonego
zużycia, stąd zaleca się unikania instalacji tych urządzeń w bezpośrednim
sąsiedztwie źródeł ciepła.
W artykule:• Wpływ obwodu pośredniego i warunków eksploatacji na awaryjność przemienników częstotliwości• Zabezpieczenia obwodu mocy w przemiennikach częstotliwości • Prąd upływu doziemnego • Stosowanie zabezpieczenia z wyłącznikiem różnicowoprądowym • Praca napięciowego przemiennika częstotliwości w warunkach ekstremalnych |
Na żywotność i niezawodną pracę przemienników częstotliwości w sposób podstawowy wpływa przyjęte rozwiązanie techniczne układu zasilania oraz rodzaje i skuteczność działania wewnętrznych zabezpieczeń zastosowanych przez producenta. Skuteczność działania tych zabezpieczeń użytkownik może sprawdzić jedynie poprzez samodzielne wymuszenie awaryjnych stanów pracy sieci zasilania i silnika.
Nieprawidłowe działanie wewnętrznych zabezpieczeń obwodu mocy przemiennika częstotliwości może doprowadzić do zagrożenia zdrowia i życia ludzi lub narazić użytkownika na duże koszty naprawy. Często poważniejsze mogą być straty technologiczne, jeśli nie przeprowadzi się sprawdzenia skuteczności tych zabezpieczeń w czasie przerw produkcyjnych.
Stanowisko badawcze jest właściwym miejscem sprawdzania skuteczności działania zabezpieczeń obwodu mocy i reakcji przemiennika częstotliwości w awaryjnych stanach układu zasilania: sieć elektroenergetyczna – przemiennik częstotliwości i przemiennik częstotliwości – silnika. W artykule przedstawiona jest budowy stanowiska badawczego i omówione są przykładowe wyniki badań reakcji napędu silnika z przemiennikiem częstotliwości w stanach awaryjnych.
Wpływ obwodu pośredniego i warunków eksploatacji na awaryjność przemienników częstotliwości
Struktura obwodu mocy niskonapięciowych przemienników częstotliwości z dwupoziomowymi falownikami MSI dostępnych dla przemysłu zasadniczo nie ma większych różnic. Poszczególni producenci światowi wprowadzają dodatkowe zabezpieczenia, których celem jest zwiększenie niezawodności tych urządzeń i bezpieczeństwa obsługi.
Sposób działania tych zabezpieczeń, ich techniczna realizacja bezpośrednio wpływa na ich skuteczność. Istotne znaczenie ma tutaj doświadczenie producenta, jakość stosowanych elementów energoelektronicznych i warunki eksploatacji.
Szczególnie ważnymi elementami biernymi podatnymi na szybkie zużywanie się są w przemiennikach częstotliwości kondensatory elektrolityczne obwodu pośredniego. Pełnią one rolę źródła napięcia stałego zasilania falownika i jednocześnie magazynują energię elektryczną dostarczaną poprzez falownik z silnika, np. w czasie pracy generatorowej.
Na rys. 1. przedstawiono strukturę obwodu mocy napięciowego przemiennika częstotliwości z zaznaczeniem dławików DC obwodu pośredniego, jako ważnych elementów ograniczających wartość mocy odkształconej w sieci elektroenergetycznej zasilającej przemiennik częstotliwości [1]. Ograniczenie stromości wyprostowanych impulsów prądu wpływających do baterii kondensatorów znacznie zwiększa żywotność kondensatorów elektrolitycznych.
Rys. 1. Struktura obwodu mocy napięciowego przemiennika częstotliwości; rys. autora (J. Szymański)
Uszkodzenie kondensatorów obwodu pośredniego uniemożliwia pracę przemiennika częstotliwości. Zmniejszenie się pojemności kondensatorów spowodowane przykładowo odparowaniem części elektrolitu prowadzi do wzrostu zawartości składowej przemiennej w napięciu zasilania falownika i wzrostu prądu upływu kondensatorów (prądu wstecznego grzejącego kondensatory). Taka sytuacja wskutek dodatniego sprzężenia temperaturowego prowadzi w końcowym efekcie do ich uszkodzenia.
Wzrost składowej przemiennej w obwodzie pośrednim powoduje ponadto wzrost zawartości wyższych harmonicznych w napięciu silnika dołączonego do falownika. Prowadzi do zmniejszenia momentu napędowego i sprawności silnika. W wielu przypadkach następuje zatrzymanie się silnika maszyny roboczej, szczególnie przy małych prędkościach i obciążeniu bliskim znamionowemu.
W takim przypadku widmo napięcia zasilania silnika zawiera zwiększoną zawartość wyższych harmonicznych, przy jednocześnie małej wartości skutecznej pierwszej harmonicznej (przenoszącej moc czynną i bierną silnika), w porównaniu do pracy silnika przy prędkościach bliskich wartości znamionowej (harmoniczna podstawowa napięcia silnika jest teraz bliska znamionowej wartości).
Wzrost wartości składowej przemiennej obwodu pośredniego dodatkowo zwiększa wartość amplitudy wyższych harmonicznych niskiego rzędu powodując nadmierne odkształcenia kołowego pola magnetycznego w silniku, co skutkuje zmniejszeniem się momentu napędowego silnika.
Obecnie stosowane są napięciowe przemienniki częstotliwości z tranzystorami IGBT w trójfazowym falowniku półmostkowym MSI, które zasilane z sieci przemysłowej niskiego napięcia osiągają moce rzędu 1 MW. Ich żywotność szacowana jest przez producentów na okres często dłuższy niż 10 lat. Jednak nieprawidłowy dobór wartości indukcyjności lub pojemności obwodu pośredniego, jego uproszczona struktura, lub nieprawidłowa eksploatacja może nawet kilkudziesięciokrotnie zmniejszyć żywotność przemiennika częstotliwości.
Na rys. 2. przedstawiono wpływ braku indukcyjności ograniczającej stromość prądu ładowania kondensatorów obwodu pośredniego i temperatury otoczenia na ich żywotność.
Rys. 2. Wpływ indukcyjności obwodu pośredniego i temperatury otoczenia na żywotność kondensatorów; rys. autora (J. Szymański)
Należy zaznaczyć, że wielu producentów nie wyposaża standardowo swoich przemienników częstotliwości w dławiki instalowane w obwodzie pośrednim, często jako dodatkowa opcja proponowane są do zainstalowania na wejściach zasilania przemienników częstotliwości. Taka sytuacja powoduje, że często nie są one instalowane u użytkownika przemiennika częstotliwości, mimo dużej mocy zwarciowej transformatora elektroenergetycznego w sieci zasilania przemiennika częstotliwości, co skutkuje prądami odkształconymi w sieci zasilania o współczynniku zawartości harmonicznych THDi rzędu 120% przy nominalnym obciążeniu [3].
Napięciowe przemienniki częstotliwości eksploatowane w warunkach przemysłowych są narażone na uszkodzenia ze względu na różne przypadkowe zdarzenia o charakterze mechanicznym i elektrycznym.
Nadmierne wibracje, zapylenie, zawilgocenie bywają często przyczynami poważnych awarii obwodów elektrycznych tych urządzeń. Praca w wysokich temperaturach otoczenia, a także szybkie jej zmiany prowadzą do ich przyśpieszonego zużycia, stąd zaleca się unikania instalacji tych urządzeń w bezpośrednim sąsiedztwie źródeł ciepła.
Zabezpieczenia obwodu mocy w przemiennikach częstotliwości
Występujące zakłócenia przemysłowej sieci zasilania często powodują uszkodzenie lub niekontrolowane wyłączenie przemiennika częstotliwości. Brak odpowiednich zabezpieczeń zdolnych skutecznie chronić urządzenie przy wystąpieniu asymetrii napięć fazowych, przepięć czy krótkotrwałych zaników napięcia może praktycznie uniemożliwić jego pracę.
W napędach przemysłowych wyjścia mocy przemienników częstotliwości są narażone na zwarcia doziemne i międzyfazowe, które mogą wystąpić sporadycznie, lecz nie powinny doprowadzać do uszkodzenia jego falownika, ponadto ze względów technologicznych i bezpieczeństwa przeciwporażeniowego powinno nastąpić w takim przypadku kontrolowane jego wyłączenie z pracy.
Dla zapewnienia separacji silnika i przemiennika częstotliwości lub przy możliwości wystąpienia przypadkowego zerwania kabli silnikowych może być wymagane zabezpieczenie przemiennika częstotliwości przed uszkodzeniem.
Duża część eksploatowanych przemienników częstotliwości nie ma zabezpieczenia umożliwiającego bezpieczne przerwanie kabla silnikowego przy obciążeniu silnika, co powoduje uszkadzanie się energoelektronicznych przemienników częstotliwości nawet w normalnych warunkach pracy, głównie z powodu nieprawidłowo zaprojektowanych układów automatyki zabezpieczeniowej
Producenci w swoich dokumentacjach technicznych podają wykaz zabezpieczeń stosowanych w swoich urządzeniach jednak brak unormowań co do sposobu badania ich skuteczności powoduje, że ich działanie nie zawsze jest pewne. Użytkownik nigdy nie ma pewności, czy zapewnienia producenta działają prawidłowo, i czy w czasie eksploatacji nie zostały one uszkodzone. Stąd wynika potrzeba okresowego ich sprawdzania.
Na rys. 3. przedstawiono uproszczony schemat stanowiska laboratoryjnego do przeprowadzania badań przemiennika częstotliwości w awaryjnych warunkach pracy. Stanowisko umożliwia symulowanie stanów awaryjnych na zasilaniu przemiennika częstotliwości i po stronie jego obciążenia, tj. pomiędzy przemiennikiem częstotliwości i silnikiem.
Rys. 3. Schemat stanowiska laboratoryjnego do symulacji zwarć na wejściach i wyjściach mocy przemiennika częstotliwości [2]
Przy coraz bardziej złożonej budowie energoelektronicznych przemienników częstotliwości, właściwa diagnostyka pozwala na jednoznaczne określenie ich możliwości aplikacyjnych. Możliwość obciążenia silnika na stanowisku badawczym przedstawionym na rys. 3. przybliża pracę przekształtnikowego napędu do warunków rzeczywistych.
Przeprowadzanie badań tego typu ma tym większe uzasadnienie, że producenci nie podają, czy ich urządzenia podczas kontroli technicznej były badane przy próbach obciążeniowych. Należy sądzić, że wielu producentów ze względów ekonomicznych – konieczność budowy hamowni silników i duże zużycie energii, rezygnuje w części lub całości z przeprowadzania tych badań.
W tab. 1. przedstawiono wybrane badania przeprowadzone na stanowisku według rys. 3.
Tab. 1. Zestawienie badań przemiennika częstotliwości w awaryjnych stanach pracy układu zasilania i silnika [2]
Pomiary wartości prądów doziemnych wykazują, że zabezpieczenie to można tutaj traktować jako zabezpieczenie przemiennika częstotliwości przed uszkodzeniem, a nie jako zabezpieczenie przeciwporażeniowe.Zatrzymanie modulacji MSI falownika w przemienniku częstotliwości następuje przy wykryciu prądu doziemnego na poziomie ok. 10% prądu nominalnego przemiennika częstotliwości.
Zdolność nieprzerywania pracy układu napędowego z silnikiem obciążonym momentem znamionowym przy zanikach napięcia w sieci zasilania w czasie 1–3 s ma w wielu aplikacjach bardzo istotne znaczenie. Często wyłączający się przemiennik częstotliwości podaje odpowiedni komunikat na wyjściu sygnałowym, który odłącza inne współpracujące z nim silniki maszyny roboczej. Niepożądane przypadkowe zatrzymanie zespołów maszynowych prowadzi w konsekwencji do strat gospodarczych.
Prąd upływu doziemnego
Prąd upływu jest powodowany głównie doziemnymi pojemnościami pasożytniczymi pomiędzy żyłami fazowymi a uziemionym ekranem kabla silnikowego. Zastosowanie wbudowanego w obwód wejściowy przemiennika częstotliwości filtra RFI (ang. Radio Frequency Interference) powoduje dodatkowe zwiększenie wysokoczęstotliwościowego prądu upływu doziemnego.
W powszechnie występującej sieci zasilania typu TN-S obwód filtra RFI jest połączony z uziemionym przewodem PE poprzez kondensatory Y tłumienia zakłóceń napięcia wspólnego falownika. Wartość prądu upływu zależy od następujących czynników, podanych w kolejności ich wagi:
- obecność lub brak ekranu kabla zasilającego,
- długość kabla zasilającego silnik,
- częstotliwość przełączania półprzewodnikowych zaworów dwustanowych falownika,
- zastosowanie lub nie filtra RFI.
Stosowanie zabezpieczenia z wyłącznikiem różnicowoprądowym
Obudowa napędowego przemiennika częstotliwości musi być zawsze uziemiona. Dla prądu upływu o wartości > 3,5 mA, musi być wykonane wzmocnione uziemienie, jeśli mają być spełnione wymogi normy PN‑EN 50178 Urządzenia elektroniczne do stosowania w instalacjach dużej mocy. Nigdy nie wolno stosować wyłączników różnicowoprądowych, które nie są odpowiednie dla doziemnych prądów wymuszanych napięciem wspólnym falownika MSI przemiennika częstotliwości.
Wg autora artykułu należy unikać stosowania wyłączników różnicowoprądowych (całkowicie) na zasilaniu energoelektronicznych przemienników częstotliwości, aby uniknąć przypadkowego wyłączania napędu z przemiennikiem częstotliwości. Są już patenty (niewdrożone) filtrów eliminujących prądy zaburzeń wspólnych w przewodzie ochronnym PE [4], ale trzeba jeszcze czasu na rozwiązania z wyłącznikami różnicowoprądowymi, przez które nie płynie prąd upływu doziemnego wymuszanego napięciem wspólnym falownika MSI.
Zwykle w instalacjach przemysłowych nie stosuje się wyłączników różnicowoprądowych. Jeśli zachodzi konieczność ich zastosowania, to tylko jako uzupełniającej ochrony przeciwpożarowej, wtedy muszą one być odpowiednie dla ochrony urządzeń z wysokoczęstotliwościowym prądem upływu wymuszanym napięciem zaburzeń wspólnych falownika MSI.
Zabezpieczenie różnicowoprądowe musi ponadto być dostosowane do pracy z impulsami prądu doziemnego ładowania kondensatorów Y filtrów wejściowych RFI przemiennika częstotliwości. Nieprawidłowy dobór wyłącznika różnicowoprądowego może powodować nieuzasadnione częste wyłączania przemiennika napięciowego z pracy. Zwykle wyłącznik różnicowo-prądowy jest stosowany na wejściu zasilającym przemiennika częstotliwości jest dobierany na prąd różnicowy o wartości 100 mA i jest typu A lub B. Ze względu na zwiększony prąd różnicowy, tj. większy od 30 mA, pełni funkcje zabezpieczenia przeciwpożarowego, a nie uzupełniającego zabezpieczenia ochronnego przed porażeniem prądem (prąd różnicowy do 30 mA).
Praca napięciowego przemiennika częstotliwości w warunkach ekstremalnych
Zwarcie międzyfazowe prądów silnika
Zwykle przemienniki napięciowe są chronione przed zwarciem poprzez pomiar prądu w każdej z trzech faz silnika. Zwarcie pomiędzy dwoma fazami na wyjściu spowoduje nadmierny wzrost prądu w falowniku przemiennika. Każdy półprzewodnikowy zawór dwustanowy falownika zostanie indywidualnie zablokowany, kiedy prąd zwarcia przekroczy dozwoloną wartość.
Ograniczenie stromości narastania prądu zwarciowego realizowane jest przez wbudowanie do przemiennika niezbędnej indukcyjności fazowej na wyjściach mocy przemiennika częstotliwości.
Po około 5–10 ms układ sterowania wyłącza falownik (zatrzymuje się modulacja MSI), a na panelu operatorskim przemiennika wyświetlany jest odpowiedni komunikat.
Zwarcie doziemne
Przy pełnym zwarciu doziemnym jednej z faz silnika falownik wyłącza się zwykle w ciągu 100 ms od wystąpienia zwarcia doziemnego. Zależnie od impedancji obwodu zwarcia i częstotliwości harmonicznej podstawowej napięcia zasilania silnika czas ten może być wydłużony. Wyłączenie falownika ma na celu zabezpieczyć falownik przed uszkodzeniem i nie można tego zabezpieczenia traktować jako pośredniej ochrony przeciwporażeniowej (ochrony przy uszkodzeniu) człowieka jest to rodzaj zabezpieczenia urządzenia.
Cykliczne wyłączanie prądu silnika
Cykliczne rozłączanie zasilania (typu stycznikowego) pomiędzy obciążonym przemiennikiem a silnikiem jest w niektórych rozwiązaniach przemienników w pełni dozwolone. Nie jest wtedy możliwe uszkodzenie obwodu mocy przemiennika. Jednak w wielu rozwiązaniach przemienników częstotliwości nie dopuszcza się takich zdarzeń, dlatego przy projektowaniu układu zasilania silnika należy szczegółowo zapoznać się z DTR danego przemiennika częstotliwości.
Napięcie generowane przez silnik
Napięcie w obwodzie pośrednim napięciowego przemiennika częstotliwości zwiększa się, gdy silnik pracuje jako generator. Dzieje się tak w dwóch przypadkach:
1) obciążenie napędza silnik. Przy stałej częstotliwości wyjściowej przemiennika częstotliwości, mniejszej od częstotliwości wynikającej z rzeczywistej prędkości obrotowej wirnika. Przykładowo: energia kinetyczna wirującej masy dołączonej do wirnika silnika wytwarza energię elektryczną,
2) podczas hamowania, jeśli moment bezwładności wirującego obciążenia silnika jest duży a czas hamowania jest zbyt krótki, energia kinetyczna obciążenia przetwarzana jest na energię elektryczną.
Układ sterowania przemiennika może skorygować czas hamowania silnika, jeśli taka reakcja urządzenia jest dozwolona.
Po przekroczeniu dozwolonego poziomu napięcia falownik wyłącza się, aby chronić elementy obwodu mocy przed uszkodzeniem i silnik rozpoczyna pracę z wybiegu.
Zanik napięcia zasilającego
Przy zaniku napięcia zasilającego przemiennik częstotliwości kontynuuje pracę aż do momentu spadku napięcia na obwodzie pośrednim do wartości minimalnej, która typowo jest o 15% mniejsza od wartości wynikającej ze znamionowego napięcia zasilania przemiennika. Taka reakcja urządzenia zapewnia ciągłość pracy układu napędowego przy krótkotrwałych zanikach napięcia zasilania. Czas, po jakim przemiennik zatrzyma pracę napędu zależy od wartości napięcia zasilającego przed jego zanikiem oraz obciążenia silnika.
Przeciążenie przemiennika częstoliwości
Gdy przemiennik jest przeciążony, tj. osiągnięta została graniczna wartość prądu (momentu) zadana nastawami programowymi, układ sterujący zmniejsza częstotliwość wyjściową i napięcie zasilania silnika (u/f = const. – w pierwszej strefie regulacji prędkości obrotowej wału napędowego silnika), aby zmniejszyć przeciążenie prądowe do dopuszczalnej wartości.
Podsumowanie
Dokładne zapoznanie się z zastosowanymi przez producenta rodzajami zabezpieczeń obwodu mocy przemysłowych napięciowych przemienników częstotliwości do zasilania silników prądu przemiennego ma podstawowe znaczenie dla uniknięcia niekontrolowanego zatrzymywania napędu przekształtnikowego lub nawet uszkodzenia przemiennika częstotliwości w awaryjnych stanach pracy.
Wymuszenie na stanowisku laboratoryjnym wybranych awaryjnych warunków pracy napędowego przemiennika częstotliwości określa skuteczność działania tych zabezpieczeń i sposób reakcji przemiennika częstotliwości na stany pracy awaryjnej.
W procesie projektowym napędu przekształtnikowego (napędu z przemiennikiem częstotliwości) należy zapoznać się z procedurą techniczną i postępowaniem wynikającym z BHP dla ponownego uruchomienia napędowego przemiennika częstotliwości, w szczególności po wystąpieniu zwarcia doziemnego.
Literatura
- J. Szymański, Co warto wiedzieć o przemiennikach częstotliwości, org. „Facts worth knowing about Frequency Converters” – edition III – Dansfoss A/S Corporation, 1999 – tłumaczenie i rozszerzenie materiału źródłowego, 2001.
- J. Szymański, Badania skuteczności zabezpieczeń obwodów mocy przemysłowych przemienników częstotliwości, „Przegląd Elektrotechniczny”, nr 2, 2000.
- J. Szymański, Harmoniczne prądu i napięcia w sieci zasilającej wprowadzane przez prostowniki wejściowe napędowych przemienników częstotliwości. „elektro.info”, nr 9/2007.
- J. Szymański, Filtr napięcia zaburzeń wspólnych napięciowych elektronicznych przetwornic częstotliwości zasilanych z trójfazowej sieci nieuziemionej typu IT. Patent PL Nr 219221, 2014
![Rys. 3. Schemat stanowiska laboratoryjnego do symulacji zwarć na wejściach i wyjściach mocy przemiennika częstotliwości [2]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/niskonapieciowy-przemiennik-rys3.jpg)
