Napięcia zaburzeń doziemnych i międzyfazowych w napędach z przekształtnikami częstotliwości
![Rys. 3. Doziemne prądy pasożytnicze wymuszone napięciem zaburzeń doziemnych falownika w badaniach symulacyjnych (a) i na stanowisku badawczym (b) [rysunek 2. – Cke = 1,2 nF]
J. Szymański](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/elektro-2013-11-szymanski-rys3-1.jpg)
Rys. 3. Doziemne prądy pasożytnicze wymuszone napięciem zaburzeń doziemnych falownika w badaniach symulacyjnych (a) i na stanowisku badawczym (b) [rysunek 2. – Cke = 1,2 nF]
J. Szymański
Napędowe przekształtniki częstotliwości z falownikami MSI są generatorami napięcia zaburzeń doziemnych i międzyfazowych. Są to efekty uboczne kształtowania trójfazowego napięcia odkształconego w falowniku. W publikacji autor omówił zjawisko powstawania napięcia zaburzeń doziemnych i międzyfazowych. Na podstawie analizy widmowej napięć falownika zostało wyjaśnione postępowanie mające na celu ograniczanie negatywnych skutków występowania zaburzeń doziemnych i międzyfazowych.
Zobacz także
dr inż Krzysztof Tomczuk Przegląd przekształtników do zasilania silników reluktancyjnych
Przekształtnik służy do fizycznego załączania i wyłączania prądów w pasmach fazowych silnika na podstawie sygnałów uzyskanych ze sterownika napędu. Jest to zatem istotny podzespół zbudowany z elementów...
Przekształtnik służy do fizycznego załączania i wyłączania prądów w pasmach fazowych silnika na podstawie sygnałów uzyskanych ze sterownika napędu. Jest to zatem istotny podzespół zbudowany z elementów energoelektronicznych, których odpowiednia konfiguracja umożliwia uzyskanie napędu o zadowalających parametrach, a niektóre z nich umożliwiają nawet częściowy zwrot pobranej energii.
APATOR SA SPV RM – regulator parku energii z funkcją strażnika mocy dla nowoczesnej generacji rozproszonej
Rosnący udział odnawialnych źródeł energii w systemie elektroenergetycznym sprawia, że coraz większego znaczenia nabiera nie tylko sama produkcja energii, ale również jej bezpieczne, przewidywalne i zgodne...
Rosnący udział odnawialnych źródeł energii w systemie elektroenergetycznym sprawia, że coraz większego znaczenia nabiera nie tylko sama produkcja energii, ale również jej bezpieczne, przewidywalne i zgodne z wymaganiami operatorów zarządzanie. Farmy fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe, instalacje biogazowe czy układy przemysłowe typu „zero eksport” wymagają dziś rozwiązań, które pozwalają kontrolować parametry pracy źródeł, ograniczać moc oddawaną do sieci oraz zapewniać skuteczną komunikację z systemami...
Finder Polska Sp. z o.o. news Finder Polska świętował 10-lecie na targach ENERGETAB 2026
Podczas targów ENERGETAB 2026 firma Finder Polska zaprezentowała swoje najnowsze rozwiązania z zakresu automatyki i zarządzania energią, m.in. programowalny przekaźnik OPTA oraz jego premierowe zastosowania....
Podczas targów ENERGETAB 2026 firma Finder Polska zaprezentowała swoje najnowsze rozwiązania z zakresu automatyki i zarządzania energią, m.in. programowalny przekaźnik OPTA oraz jego premierowe zastosowania. Targi były też okazją do świętowania – w tym roku Finder Polska obchodzi 10-lecie działalności!
StreszczenieW artykule opisane są napięcia powodujące powstawanie prądów międzyfazowych i doziemnych w napędach z przemysłowymi przekształtnikami częstotliwości. Odkształcone napięcie fazowe wytwarzane przez dwupoziomowy falownik napięciowy zawiera harmoniczne napięcia zaburzeń międzyfazowych i doziemnych, co przebadano metodą symulacyjną. Wnioski z analizy napięć falownika wykazały celowość stosowania komercyjnych filtrów silnikowych LC do tłumienia jedynie zaburzeń międzyfazowych. W artykule autor wykazał, że ograniczenie negatywnych skutków napięcia doziemnego falownika jest zadaniem złożonym i w szczególnych przypadkach trudnym technicznie do zrealizowania.AbstractCommon and differential mode valtage in frequency conventer drive systemsPulse Width Modulation in Adjustable Frequency Drives generates of common and differential voltage disturbances. This disturbances are spillover effects of a three phase no sinusoidal voltage creation in voltage inverter. Author describes a creation phenomenon of common and differential disturbances voltages. By the spectrum analyze of inverter’s voltages author explains the ways to negative effects restriction of differential and common disturbances. |
W systemach napędowych zasilanych w układzie TN wysokoczęstotliwościowe prądy doziemne wytworze przez przemysłowe przekształtniki częstotliwości przepływają przez uzwojenia transformatora. Prądy te uniemożliwiają stosowanie wyłączników różnicowoprądowych jako elementów uzupełniającej ochrony przeciwporażeniowej.
Zastosowanie w tych układach wyłączników różnicowoprądowych skutkowało będzie niekontrolowanym ich działaniem wywołanym przez prądy doziemne, charakterystyczne dla tego typu układów zasilających. Napędowe przekształtniki częstotliwości nazywane są także przemiennikami, przetwornicami lub mniej poprawnie falownikami czy inwerterami. Dla wyjaśnienia powstawania napięć zaburzeń różnicowych (międzyfazowych) i wspólnych (doziemnych) (ang. DM – differential mode voltage, CM – common mode voltage) autor zaproponował model przekształtnika częstotliwości pokazany na rysunku 1.
Zaproponowany na rysunku 1. model napędowego przekształtnika częstotliwości umożliwia niezależne badanie współpracy prostownika 3f6d z transformatorem poprzez zadawanie obciążenia baterii kondensatorów rezystorem Rdc oraz badanie wpływu relacji pomiędzy indukcyjnościami obwodu dc prostownika i indukcyjnościami zastępczymi transformatora. Model umożliwia też badanie napięcia doziemnego wytwarzanego przez prostownik 3f6d. Przy założonym stanie obciążenia prostownika można badać wpływ zastosowanej modulacji MSI w falowniku, odwzorowanym tutaj przez trójfazowe źródło napięcia odkształconego. Dla potrzeb tego artykułu autor zatasował klasyczny modulator MSI z trójkątnym symetrycznym przebiegiem nośnym i sinusoidalnymi przebiegami modulującymi.
Doziemne prądy pasożytnicze wywoływane napięciem zaburzeń doziemnych falownika płyną przez pojemności doziemne przewodu silnikowego i silnika, i dalej wpływają do falownika przez uzwojenia transformatora, którego punkt neutralny jest połączony z przewodem ochronnym PE. Przy niewielkim uproszczeniu można założyć (pomijając napięcie doziemne prostownika), że punkt połowy napięcia baterii kondensatorów ma potencjał ziemi. Wtedy napięcie doziemne przekształtnika częstotliwości będzie równe napięciu doziemnemu wytwarzanemu przez falownik i będzie określone wyrażeniem (2) lub (3):
Występujące w równaniu (3) wektory wysterowania tranzystorów IGBT falownika mogą przyjmować 23 wartości, przy czym przy załączonych jednocześnie tranzystorach górnych V1={1,1,1} i dolnych V0={0,0,0} wszystkie gałęzie obciążenia trójfazowego mają jednakowy potencjał odpowiednio ±1/2 uDC względem połowy napięcia baterii kondensatorów. Z równania (3) wynika, że amplituda napięcia zaburzeń doziemnych wytwarzanego przez falownik nie zależy od obciążenia i wzrasta wraz z napięciem zasilania przekształtnika częstotliwości.
Analiza czasowa napięcia zaburzeń doziemnych falownika
Na rysunku 2. przedstawiony jest system napędowy z pojedynczym przekształtnikiem częstotliwości i silnikiem. Silnik jest połączony z falownikiem przekształtnika ekranowanym przewodem silnikowym o typowych pojemnościach doziemnych. W artykule został pominięty efekt podwojenia się amplitudy napięcia zaburzeń doziemnych falownika uCMfal, na zaciskach silnika wskutek niedopasowania impedancji falowej przewodu silnikowego i uzwojeń stojana silnika. Takie założenie jest dopuszczalnym uproszczeniem dla napędów małych mocy, i nie ma istotnego wpływu na przedstawiony mechanizm powstawania tych zaburzeń. W napędach dużych mocy współczynnik odbicia fali napięcia fazowego falownika zmniejsza się z wartości 1 (silniki małych mocy) do wartości bliskiej 0 i wówczas amplituda napięcia zaburzeń doziemnych na zaciskach silnika nie ulega zwiększeniu [1]. W modelu napędu przedstawionym na rysunku 2. wysokoczęstotliwościowe prądy doziemne wypływające przez pojemności doziemne przewodu silnikowego i silnika wpływają do falownika dwoma drogami: przez filtr obwodu pośredniego i przez uzwojenia wtórne transformatora. Pojemności filtru EMC obwodu pośredniego mają ograniczoną wartość, zwykle 0,22 µF – 0,35 µF, dlatego znacząca część tego prądu przepływa przez uzwojenia transformatora. Przykładowe wysokoczęstotliwościowe pojemnościowe prądy w przewodzie ochronnym PE, wywołane napięciem zaburzeń doziemnych falownika w systemie napędowym z przekształtnikiem częstotliwości, przedstawia rysunek 3. W badanych prądach i napięciach przedstawionych na rysunku 3. częstotliwość przełączania elementów mocy falownika wynosi 2 kHz (częstotliwości nośna klasycznej modulacji MSI), a harmoniczna podstawowa napięcia falownika wynosi 25 Hz (częstotliwość modulująca w klasycznej metodzie MSI). Warto tu zauważyć, że prądy doziemne są największe w pobliżu zerowych prędkości wału silnika, tj, gdy harmoniczna podstawowa napięcia fazowego ma amplitudę bliską zeru.
Przebieg czasowy napięcia fazowego falownika dla częstotliwości harmonicznej podstawowej 25 Hz, uzyskany w badaniach symulacyjnych, przedstawiono na rysunku 4a, a oscylogram napięcia fazowego w przekształtniku przemysłowym przedstawia rysunek 4b. Porównując przebiegi napięć fazowych falownika z rysunków 4a i 4b widoczna jest różnica stosowanej strategii sterowania falownika. W badaniach symulacyjnych ma zastosowanie klasyczna modulacja MSI i w falowniku przekształtnika przemysłowego metoda 60°MSI. Zastosowana modyfikacja strategii MSI sterowania elementów mocy w falowniku przemysłowego przekształtnika częstotliwości przyczynia się do zmniejszenia strat przełączania elementów mocy falownika o 1/3, przez co osiąga się zwiększoną wydajność prądową modułu falownika.
W przekształtniku częstotliwości może być jednocześnie wykorzystywanych kilka strategii sterowania elementami mocy modułu falownikowego. Poszczególne strategie sterowania MSI włączane są automatycznie, np. dla określonych zakresów częstotliwości harmonicznej podstawowej napięcia fazowego lub rodzaju realizowanej zależności momentu silnika w funkcji prędkości obrotowej jego wału napędowego (charakterystyka stało- lub zmiennomomentowa).
Analiza częstotliwościowa napięcia zaburzeń doziemnych falownika
Wykorzystując program symulacyjny autor artykułu zbadał widmo harmonicznych napięcia fazowego falownika przedstawionego na rysunku 4a. Widmo amplitudowo-fazowe analizowanych napięć: ufn – napięcia fazowe falownika, uff – napięcie międzyfazowe falownika, uCMf – napięcia zaburzeń doziemnych falownika, zawiera 5 kolejnych znaczących wyższych harmonicznych niskich rzędów. Harmoniczne napięcia fazowego falownika o harmonicznej podstawowej 25 Hz przedstawiono w tabeli 1. Amplituda podstawowej harmonicznej wynosi 140 V, kąt fazowy 360°, a kolejne harmoniczne to napięcia zaburzające różnicowe i doziemne, które są umieszczone w górę od częstotliwości przełączania elementów mocy falownika 2 kHz, tj. częstotliwości modulującej w klasycznej metodzie MSI. Dla harmonicznej podstawowej 25 Hz, przy strategii u/f = const., zaburzenia doziemne wywołuje harmoniczna o częstotliwości 2 kHz, gdyż pozostałe harmoniczne nr 2–5 są to harmoniczne zaburzeń napięcia międzyfazowego falownika (zaburzenia różnicowe).
Harmoniczne zaburzeń różnicowych zawarte są w napięciu międzyfazowym falownika i przedstawione w tabeli 2. Napięcie międzyfazowe jest różnicą wektorową harmonicznych tego samego rzędu odpowiednich napięć fazowych falownika. Z definicji napięcia międzyfazowego wynika, że wszystkie wyższe harmoniczne występujące w widmie napięcia międzyfazowego są zaburzeniami różnicowymi. Z tabeli 2. wynika, że amplituda harmonicznej podstawowej napięcia międzyfazowego uff o częstotliwości 25 Hz jest, zgodnie z teorią, o większa od amplitudy napięcia fazowego ufn i wynosi √×140 V = 242 V. Jest ona dominująca w stosunku do amplitud harmonicznych zaburzeń różnicowych rozmieszczonych jako wstęgi boczne parzystych wielokrotności częstotliwości nośnej modulacji MSI (tutaj: 2n×2 kHz).
Zadaniem komercyjnych trójfazowych sinusoidalnych filtrów silnikowych typu LC jest odfiltrowanie harmonicznych różnicowych z napięcia międzyfazowego silnika, przy jednoczesnym nieblokowaniu harmonicznej podstawowej tego napięcia. Harmoniczna podstawowa w falownikach typowych napędów zmienia się od 0,5 do 50 Hz. Filtr silnikowy LC ma właściwości filtru dolnoprzepustowego, co zapewnia odpowiedni rodzaj materiału wykonania rdzenia dławika umieszonego w torze prądowym między falownikiem i silnikiem. W napędach dużych mocy stasowanie filtrów silnikowych typu LC jest bardzo ograniczone ze względu na koniczność stosowania dławików filtru w torze prądowym silnika. W literaturze światowej podawane są przypadki uszkodzenia przekształtników częstotliwości na skutek oddziaływania napięcia zaburzeń różnicowych na duże pojemności międzyfazowe przewodów silnikowych [2]. Stosowanie filtru LC przybliża kształt napięcia międzyfazowego do sinusoidy, a więc powoduje zmniejszenie stromości narastania napięcia du/dt na uzwojeniach stojana silnika, przez co zwiększa się żywotność izolacji uzwojeń silnika.
Po omówieniu dekompozycji widma amplitudowo-fazowego napięcia fazowego falownika ufn (tab. 1.) na składowe różnicowe (zaburzenia międzyfazowe) (tab. 2.) autor przeprowadzi teraz analizę widma napięcia zaburzeń doziemnych (znanych też jako wspólnych, sumarycznych). Harmoniczne dolnych częstotliwości widma amplitudowo-fazowego napięcia zaburzeń doziemnych falownika uCMf przestawiono w tabeli 3. Jak wynika z tabeli 3., harmoniczne napięcia zaburzeń doziemnych falownika są lokowane w pobliżu wielokrotności częstotliwości nośnej modulacji MSI, przy czym harmoniczną podstawową napięcia zaburzeń doziemnych jest częstotliwość nośna modulacji MSI (częstotliwość przełączania sterowanych półprzewodnikowych elementów mocy falownika, tranzystorów IGBT). Harmoniczne napięcia zaburzeń doziemnych uCMf mają tę samą amplitudę i fazę we wszystkich trzech napięciach fazowych falownika, dlatego nazywane są też składowymi zerowymi. Tylko harmoniczna podstawowa 2 kHz napięcia zaburzeń doziemnych falownika uCMf (tab. 1.; pozycja 1) jest pokazana wśród harmonicznych napięcia fazowego ufn (tab. 1.; pozycja 1), pozostałe harmoniczne (tab. 3.) mają częstotliwości wykraczające poza zakres kolejnych 5 harmonicznych przedstawionych w widmie napięcia fazowego falownika ufn.
Sinusoidalny filtr LC składowych różnicowych w napięciu międzyfazowym silnika nie działa na zaburzenia doziemne, gdyż nie filtruje on przedstawionych w tabeli 3. harmonicznych napięcia doziemnego falownika. Komercyjne filtry LC nie usuwają znanych negatywnych skutków występowania prądów łożyskowych silnika, czy prądów doziemnych płynących przez wirniki silników pomp zanurzonych w wodzie. Proponowane są także komercyjne filtry składowych doziemnych i różnicowych dla napędów małych i średnich mocy, ale wymagają one wstawienia dławików silnikowych w tor prądowy silnika. Przerywanie toru prądowego silnika, szczególności w napędach dużych mocy, jest praktycznie niestosowane. Poszukiwane są inne sposoby ograniczania negatywnych skutków występowania wysokoczęstotliwościowych prądów doziemnych.
Dla napędów dużych mocy z przekształtnikiem częstotliwości autor proponuje zasilanie napędu z transformatora o układzie typu IT. Układ sieciowy IT eliminuje galwaniczne zwarcie uzwojeń transformatora z uziemieniem i przez to prądy doziemne są ograniczone, gdyż płyną jedynie przez pasożytnicze pojemności doziemne występujące po stronie transformatora zasilającego przekształtnik częstotliwości. Zasilanie przekształtników częstotliwości z transformatorów w układzie sieciowym IT, w szczególności dużych mocy, wymaga odrębnego omówienia i będzie przedmiotem kolejnej publikacji.
Podsumowanie
W napędach z przekształtnikami częstotliwości występują dwa rodzaje napięć powodujących zaburzenia:
- napięcie zaburzeń międzyfazowych (różnicowych),
- napięcie zaburzeń doziemnych (wspólnych).
Napięcie zaburzeń różnicowych nie powoduje obecnie poważniejszych problemów w pracy silników, gdyż zawartość wyższych harmonicznych w napięciu międzyfazowym jest mocno zredukowana poprzez stosowanie udoskonalonych strategii sterowania falownikiem MSI dla kształtowania napięć fazowych (rys. 4b). Stromość narastania napięcia jest też ograniczana poprzez stosowanie przez producentów przekształtników miękkiego załączania elementów mocy falownika i nie przekracza wartości dopuszczonych przez normy przedmiotowe 700 V/µs. Emalia izolacji uzwojeń silników i technologia jej nakładania są udoskonalone i nie następuje widoczne przyspieszenie jej zużycia wskutek szybkich zmian pola elektromagnetycznego wokół izolacji uzwojeń silnika.
Napięcie zaburzeń doziemnych cięgle powoduje negatywne skutki w systemie napędowym. Oddziaływanie tego napięcia jest złożone i zależy od wielu czynników. Skutki tego napięcia między innymi zależą od:
- mocy silników,
- długości przewodów silnikowych: krótkie czy długie,
- rodzaju przewodów silnikowych: ekranowane lub nieekranowane,
- systemu zasilania: TN czy IT,
- mocy transformatora w stosunku do mocy silnika,
- strategii sterowania falowników i stosownych przez producentów filtrów wewnętrznych w przekształtniku częstotliwości,
- budowy systemu napędowego: pojedynczy silnik i przekształtnik czy jeden przekształtnik większej mocy i wiele silników mniejszych mocy (tzw. praca równoległa), czy koryta z przewodami silnikowymi są metalowe uziemione czy plastykowe, czy silnik pracuje w środowisku suchym czy w wodzie.
W typowych zastosowaniach napędów zaburzenia międzyfazowe i doziemne nie powodują problemów eksploatacyjnych. Są jednak przypadki bardziej złożone, np. przy zasilaniu z jednego transformatora o układzie IT napędu wielosilnikowego z indywidualnymi przekształtnikami dużej mocy. W przypadkach nietypowych trzeba przeprowadzić szczegółową analizę możliwości ograniczania negatywnego oddziaływania wysokoczęstotliwościowego napięcia zaburzeń doziemnych falownika. Napięcie doziemne może między innymi spowodować niedopuszczalne odkształcenia napięć transformatora tak w układzie sieciowym TN, jak i IT, spowodować uszkodzenie toru mocy przekształtnika lub zaburzyć transmisję danych systemów teleinformatycznych [2, 3].
Literatura
- Danfoss: Output Filter Design MG90N402, 2010
- S. Suwankawin i inni, Destruction by Charge Current and Its Solution for PWM Inverter Feeding Multiple Motors Through Long Cables, Industry Applications Conference, 2005. Fourtieth IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2005.
- R. Tallam i inni, Failure Mode for AC Drives on High Resistance Grounded System, Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC '06. 2006
- J. Szymański, Stosowanie filtrów EMC w sieciach IT zasilających napędy z napięciowymi przemiennikami częstotliwości, „elektro.info” nr 12/2008.
![Rys. 3.
Doziemne prądy pasożytnicze wymuszone napięciem zaburzeń doziemnych falownika w badaniach symulacyjnych (a) i na stanowisku badawczym (b) [rysunek 2. – Cke = 1,2 nF]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/elektro-2013-11-szymanski-rys3.jpg)
