Napięcie zaburzeń wspólnych trójfazowych falowników i metody jego ograniczania w napędach z przemiennikami częstotliwości

Pasożytnicze napięcie zaburzeń wspólnych falownika przyjmuje kształt fali prostokątnej o częstotliwości równej częstotliwości przełączania tranzystorów mocy falownika, dla współczynnika głębokości modulacji MSI wynoszącego zero (modulacja sinusoidalna) [2]. Dlatego w początkowej fazie rozruchu silnika ma ono największą wartość skuteczną, która jest równa połowie napięcia baterii kondensatorów falownika, tj.:

Przy częstotliwości przełączania tranzystorów IGBT falownika, w napędowym przemienniku częstotliwości z typową wartością bliską 5 kHz, już przy doziemnych pojemnościach pasożytniczych (kabla silnikowego i silnika) rzędu kilkudziesięciu nanofaradów przemienny pasożytniczy prąd doziemny osiąga wartości rzędu pojedynczych amperów.

Prąd ten zwykle nie jest wykrywany przez wyłączniki różnicowoprądowe, które część użytkowników stosuje mając błędne przekonanie, że działają one prawidłowo w środowisku wysokoczęstotliwościowych doziemnych prądów odkształconych [3].

Przy zasilaniu napędów z przemiennikami częstotliwości transformatorami o elektroenergetycznym układzie sieciowym typu TN, wysokoczęstotliwościowe pasożytnicze prądy upływu doziemnego przepływają przez uzwojenia transformatora powodując powstawanie przepięć, tym większych, im mniejsza jest moc pozorna transformatora w stosunku do mocy pozornej przemiennika częstotliwości (np. 2:1).

Ponieważ w układzie sieciowym transformatora typu TN punkt neutralny jego uzwojeń wtórnych jest sztywno uziemiony, dlatego całe napięcie zaburzeń wspólnych falownika odkłada się na pojemnościach doziemnych kabla silnikowego (zwykle ekranowanego z uziemionym ekranem) i silnika.

Przy zasilaniu napędów z przemiennikami częstotliwości transformatorami elektroenergetycznymi o układzie sieciowym typu IT, wysokoczęstotliwościowe prądy upływu doziemnego wypływające z kabla silnikowego i silnika płyną do przemiennika częstotliwości (zawiera on falownik, który jest generatorem napięcia zaburzeń wspólnych) za pośrednictwem doziemnych pojemności pasożytniczych transformatora, gdyż nie występuje tu uziemienie punktu gwiazdowego uzwojeń wtórnych transformatora.

Przy zasilaniu przemienników częstotliwości transformatorami o układzie sieciowym IT zwykle nie są uziemione pojemnościowe filtry prądów doziemnych wbudowane do obwodu pośredniego przemiennika częstotliwości, gdyż ich uziemienie uniemożliwia pracę przemiennika częstotliwości przy wystąpieniu pojedynczego zwarcia doziemnego, zarówno po stronie zasilnia, jak i po stronie silnikowej przemiennika [4]. (Filtry te są uziemione przy zasilaniu przemienników częstotliwości z transformatorów o układzie sieciowym TN.)

Ze względu na zwykle mniejszą wartość impedancji pasożytniczych pojemności kabla silnikowego i silnika w stosunku do impedancji transformatora zasilającego przemiennik częstotliwości, zachodzi tu dodatkowe zjawisko zmodulowania napięć fazowych transformatora napięciem zaburzeń wspólnych falownika [5].

Zakładając stosunek impedancji pojemności upływu doziemnego ekranowanego kabla silnikowego i silnika (strona obciążenia przemiennika częstotliwości) do impedancji pojemności upływu doziemnego transformatora (strona zasilania przemiennika częstotliwości) jak 10:1, można przyjąć, że w układzie sieciowym transformatora o układzie IT nie płyną prądy doziemne, a całe napięcie zaburzeń wspólnych falownika odkłada się między ziemią i nieuziemionym punktem neutralnym transformatora, powodując wysokoczęstotliwościowe zmodulowanie jego napięć fazowych.

Zmodulowane wysokoczęstotliwościowo napięcia fazowe transformatora wpływają negatywnie na półprzewodniki mocy przemiennika częstotliwości o uziemionych radiatorach (prostownik, falownik) zwiększając ich awaryjność [5].

W ogólnym przypadku napięcia zaburzające występujące w napędach z przemiennikami częstotliwości zawierającymi falownik napięciowy dzielimy na:

• wysokoczęstotliwościowe napięcia zaburzeń różnicowych (zaburzenia międzyfazowe) (ang. DMV – differential mode voltage),
• wysokoczęstotliwościowe napięcia zaburzeń wspólnych (zaburzenia doziemne) (ang. CMV – common mode voltage).

Do filtracji tych dwóch napięć zaburzających DMV i CMV stosowane są inne metody ograniczania ich negatywnego odziaływania na transformator i silnik oraz inne rodzaje filtrów biernych LC.

Główne obwody rozpływu prądów upływu doziemnego powodowanego napięciem zaburzeń wspólnych falownika będą dalej omówione na przykładzie wielosystemowej lokomotywy elektrycznej z przemiennikami częstotliwości do napędów obwodów głównych i pomocniczych [6, 7].

Obwody elektryczne przepływu wysoko­częstotliwościowych prądów upływu doziemnego

Analizując konfigurację zasilania falownikiem transformatora izolacyjnego TR2 i zasilanych z niego pomocniczych przemienników częstotliwości umieszczonych w lokomotywie elektrycznej zasilanej z sieci trakcyjnej napięcia stałego 3 kV, co jest przedstawione na rys. 1., można wyróżnić kilka głównych elektrycznych obwodów przepływu prądów pasożytniczych.

Prądy zaburzeń doziemnych wytwarzane przez falownik zasilający transformator izolacyjny TR2 przepływają przez sieć trakcyjną powrotną (szynową) i sieć trakcyjną zasilającą (przewód trakcyjny) lokomotywy elektrycznej. Prądy te powodują powstawanie wysokoczęstotliwościowych przemiennych prądów błądzących w ziemi otaczającej torowiska [9] oraz są przyczyną zaburzeń elektromagnetycznych w podstacjach trakcyjnych.

Ponieważ z transformatora izolacyjnego TR2 zasilane są pomocnicze przemienniki częstotliwości napędów: pomp, sprężarek i wentylatorów oraz pomocnicze zasilacze typu UPS (oświetlenie), dlatego powstają dodatkowe lokalne obwody przepływu prądów upływu doziemnego (dla uzwojenia wtórnego transformatora TR2 o układzie sieciowym typu TN) lub prądy upływu pojemnościowego płynące wewnątrz lokomotywy (dla uzwojenia wtórnego transformatora TR2 o układzie sieciowym typu IT).

Metody ograniczania prądów upływu pojemnościowego mają na celu wyeliminowanie napięcia zaburzeń wspólnych falownika z kabla silnikowego i silnika lub wytworzenie obwodów przepływu prądów zaburzających pomijających uziemione części układu napędowego, w szczególności instalację ochronną PE i transformator.

W dalszej części artykułu przedstawione są filtry bierne umożliwiające ograniczenie pojemnościowego prądu upływu doziemnego, które można stosować przy zasilaniu przemiennika częstotliwości z transformatora o układzie sieciowym TN i IT.

Filtry bierne LC napięcia zaburzeń wspólnych falownika

W literaturze prezentowane są różne rodzaje filtrów biernych dołączanych do wyjść mocy falowników napięciowych [10]. Zwykle instalowane są one jako opcja w pobliżu falownika (między falownikiem i silnikiem).

Producenci przemienników częstotliwości dostarczają głównie filtry sinusoidalne LC, które filtrują napięcie zaburzeń różnicowych z napięć międzyfazowych wytwarzanych w falowniku MSI (modulacja szerokościowa). Rzadziej spotykane są konfiguracje filtra sinusoidalnego tłumiącego dodatkowo napięcie zaburzeń wspólnych falownika.

Przykładową budowę filtra tłumiącego jednocześnie napięcie zaburzeń różnicowych i napięcie zaburzeń wspólnych falownika, który jest chroniony patentem [11] przedstawia rys. 2.

W filtrze z rys. 2. wprowadzano dodatkowe połączenie pojemnościowe 3xC_{f we} wejść napięciowych przemiennika częstotliwości za pośrednictwem kondensatora sprzęgającego C_s z kondensatorami wyjściowymi filtra 3xC_{f wy}. Kondensator sprzęgający C_s ma decydujący wpływ na tłumienie napięcia zaburzeń wspólnych falownika, im większa jest jego wartość, tym większe jest tłumienie napięcia zaburzeń wspólnych za filtrem LC, tj. w kablu silnikowym i silniku.

Przedstawiony na rys. 2. filtr LC eliminuje prąd zaburzeń wspólnych z przewodu ochronnego PE i tym samym prąd upływu pojemnościowego nie wpływa do transformatora zasilającego przemiennik częstotliwości. Filtr ten można stosować zarówno w układach zasilania przemienników częstotliwości z transformatorów o układzie sieciowym TN, jak i IT.

Filtr LC z rys. 2. umożliwia pracę napędu zasilanego transformatorem o układzie sieciowym IT, także przy wystąpieniu pojedynczego zwarcia doziemnego, zarówno po stronie zasilania, jak i silnikowej przemiennika częstotliwości. Ponadto, w sieciach z transformatorem o układzie sieciowym IT i zastosowaniu filtra LC z rys. 2., nie wystąpi efekt zmodulowania napięć fazowych transformatora napięciem zaburzeń wspólnych falownika.

Wyeliminowanie przepływu wysokoczęstotliwościowego prądu upływu doziemnego pojemności pasożytniczych z uzwojeń transformatora o układzie sieciowym TN, daje dodatkową możliwość stosowania wyłącznika różnicowoprądowego jako uzupełnienia ochrony przeciwporażeniowej [3].

Filtr z rys. 2. nie jest dołączany do podzespołów wewnętrznych przemiennika częstotliwości, dlatego nie jest tu wymagana zgoda producenta przemiennika częstotliwości na jego zastosowanie (okres gwarancyjny).

Należy tu zauważyć, że brak separacji pojemności filtra 3xC_{f wy} od przewodu ochronnego PE spowodowałby występowanie prądów zaburzających w ziemi i w transformatorze.

W napędach bez filtra LC (rys. 2.) obwód elektryczny przepływu prądu upływu pojemnościowego generowanego napięciem zaburzeń wspólnych falownika jest zwykle zbudowany z uziemionego ekranu kabla silnikowego i uziemionej obudowy silnika, a dalej z uziemionego punktu wspólnego uzwojeń wtórnych transformatora o układzie sieciowym TN. Przez ten obwód prąd upływu pojemnościowego wpływa do falownika.

W układach zasilania przemienników częstotliwości transformatorem o układzie sieciowym IT, brak odpowiednio dużych pojemności wejściowych filtra 3xC_{f we} i pojemności sprzęgającej C_s spowoduje, że nie wystąpi znaczące tłumienie napięcia zaburzeń wspólnych i wtedy filtr LC z rys. 2. staje się znanym filtrem sinusoidalnym, tłumiącym jedynie zaburzenia różnicowe (międzyfazowe) [10], a wtedy napięcie międzyfazowe na silniku ma kształt sinusoidalny, ale nie jest wyeliminowane napięcie zaburzeń wspólnych powodującego odkształcenia napięć fazowych falownika i silnika.

Prądy zaburzeń doziemnych, np. w napędach pomp głębinowych, są przyczyną korozji elektrolitycznej wału silnika pompy i korozji bieżni łożysk silnika pompy [12].

Filtry pojemnościowe prądu upływu doziemnego falownika

W zastosowaniach napędów z przemiennikami częstotliwości, gdzie nie ma konieczności filtrowania napięcia zburzeń różnicowych VDM i napięcia zaburzeń wspólnych VCM falownika, np. w napędach wentylatorów z silnikami o izolowanych łożyskach, które pracują w środowisku pozbawionym wilgoci, można nie stosować filtra LC z indukcyjnościami 3xL_{f wy} przedstawionego na rys. 2, a wtedy prąd pojemnościowy upływu doziemnego wypływa przez pojemności pasożytnicze: żyła–ekran, kabla silnikowego i przez pojemności pasożytnicze silnika: uzwojenie stojana–stojan.

Pojemności doziemne silnika (od uzwojenia fazowego stojana – do uziemionego korpusu silnika) są zwykle wielokrotnie mniejsze od pojemności doziemnych ekranowanego kabla silnikowego.

Na przykład przy długości 100 m trójfazowego ekranowanego kabla silnikowego, pojemność: żyła–ekran takiego kabla, wykonanego w tradycyjnej technologii i przekrojach żył 4x95 mm²,wynosi 41 nF [14], a pojemność: uzwojenie stojana sinika – korpus silnika wynosi 10 nF [15].

Dla przedstawionego powyżej przykładu wynika, że ponad 80% wartości skutecznej prądu upływu doziemnego wypływa z uziemionego ekranu kabla silnikowego.

Stosując ekranowany kabel silnikowy wykonany w nowej technologii (3x95 mm² + 3x16 mm² [14]) można zmniejszyć pojemność pasożytniczą: żyła–ekran i dla kabla o długości 100 m, ta pojemność ma tu wartość 5 nF. Tym samym można zmniejszyć pojemnościowy prąd upływu doziemnego ponad 8-krotnie (41 nF : 5 nF = 8,2:1) w stosunku prądu wypływającego z ekranowanego kabla silnikowego wykonanego w tradycyjnej technologii.

Przy stosowaniu ekranowanych kabli silnikowych wykonanych w nowej technologii (np. 3x95 mm² + 3x16 mm² [14]), o wartości skutecznej pojemnościowego prądu upływu doziemnego, wywoływanego napięciem zaburzeń wspólnych falownika, będą decydowały pojemności doziemne silnika.

Na rys. 3. przedstawiono przykładową realizację techniczną filtra pojemnościowego wykorzystującego pojemności pasożytnicze ekranowanych kabli elektroenergetycznych, które zastosowano do połączenia przemiennika częstotliwości z transformatorem (kabel zasilający) i do połączenia silnika z przemiennikiem częstotliwości (kabel silnikowy).

Do budowy filtra z rys. 3. zastosowano kable energetyczne z podwójnym i wzajemnie izolowanym ekranem. Ekran wewnętrzny kabla przewodzi  prąd upływu pojemnościowego od napięcia zaburzeń wspólnych falownika, a ekran zewnętrzny zapewnia spełnienie kompatybilności elektromagnetycznej dla zaburzeń doziemnych o częstotliwościach radiowych (150 kHz – 30 MHz).

Po stronie zasilania przemiennika częstotliwości jest zastosowany ekranowany kabel elektroenergetyczny w wykonaniu tradycyjnym, a po stronie silnikowej przemiennika częstotliwości zastosowany jest ekranowany kabel elektroenergetyczny wykonany w nowej technologii.

Dzięki takiemu rozwiązaniu i przy jednakowej długości kabla zasilającego i silnikowego, pojemności pasożytnicze: żyła–ekran, na zasilaniu przemiennika częstotliwości są kilkukrotnie większe od pojemności: żyła–ekran, po stronie silnikowej (dla żył o przekroju 95 mm² stosunek tych pojemności wynosi 8,2 : 1 [14]).

Prąd upływu pojemnościowego generowany napięciem zaburzeń wspólnych falownika VCM jest ograniczony zmniejszonymi pojemnościami pasożytniczymi kabla silnikowego, a zmniejszona impedancja pojemności pasożytniczych kabla zasilającego przemiennik częstotliwości, na skutek jego większych pojemności: żyła–ekran, powoduje, że napięcie zaburzeń wspólnych falownika VCM odkłada się głównie na pojemnościach kabla silnikowego i silnika.

Zaproponowany filtr eliminuje znacząco prąd upływu pojemnościowego z przewodu ochronnego PE, gdyż płynie on w głównej części przez wewnętrzne (nieuziemione) ekrany kabli energetycznych z pominięciem przewodu ochronnego PE i transformatora.

W przewodzie ochronnym i transformatorze o układzie sieciowym TN płynie jedynie prąd wypływający z silnika SK (rys. 3.).

Filtr z rys. 3. można też stosować w przemiennikach zasilanych transformatorem o układzie sieciowym IT, gdyż nie występuje tu oddziaływanie napięcia zaburzeń wspólnych falownika na napięcia fazowe transformatora (brak zmodulowania napięć fazowych transformatora wysokoczęstotliwościowym napięciem zaburzeń wspólnych falownika VCM) oraz możliwa jest praca napędu przy zwarciu doziemnym, zarówno po stronie zasilania, jak i silnikowej przemiennika częstotliwości, podobnie jest przy stosowaniu filtra LC z rys. 2.

Podsumowanie

Przedstawiony na rys. 2. filtr LC do tłumienia za filtrem napięcia zaburzeń różnicowych VDM falownika i napięcia zaburzeń wspólnych VCM falownika, ze względu na konieczność stosowania dławików 3´Lf wy w torze prądowym pomiędzy przemiennikiem częstotliwości i sinikiem, jest głównie stosowany w napędach mniejszych mocy (np. do 100 kW).

W napędach dużych mocy, z silnikami o izolowanych łożyskach, może być stosowany filtr pojemnościowy z  rys. 3., który nie tłumi napięcia zaburzeń różnicowych i wspólnych falownika, ale ogranicza wartość prądu upływu pojemnościowego ekranowanego kabla silnikowego i kieruje go drogą omijającą przewód ochronny i transformator.

Należy tu też nadmienić, że w silnikach dużych mocy stłumiony jest też niekorzystny efekt powiększania się przepięć na czołach impulsów napięciowych na zaciskach silnika, z powodu lepszego dopasowania impedancji falowej żył kabla silnikowego i uzwojeń silnika [10], w stosunku do silników małej mocy.

Omówione zalety stosowania elektroenergetycznych podwójnie ekranowanych kabli na zasilaniu i po stronie silnikowej przemiennika częstotliwości wymuszają upowszechnienie stosowania w napędach z przemiennikami częstotliwości kabli podwójnie ekranowanych, w których ekrany są wzajemnie odizolowane. Przy czym wewnętrzy ekran jest tu wykorzystywany do przewodzenia prądu upływu pojemnościowego.

Ekran zewnętrzny kabla jest w stanie bezprądowym (płynie przez niego jedynie prąd upływu doziemnego silnika) i pełni on funkcję przewodu ochronnego PE oraz zapewnia kompatybilność elektromagnetyczną tłumiąc promieniowane do otoczenia napędu zaburzenia elektromagnetyczne o częstotliwościach radiowych.

Można też zastosować elektroenergetyczne ekranowane kable 3-żyłowe, gdzie przewód ochronny PE jest prowadzony oddzielnie, jak na rys. 3.

Podstawową zaletą omówionych filtrów z rys. 2. i rys. 3. jest możliwość ich stosowania w układach napędowych z przemiennikami częstotliwości zasilanymi transformatorami o układzie sieciowym typu TN i IT. Wyeliminowanie prądu upływu pojemnościowego z transformatora za pomocą przedstawionych filtrów skutkuje brakiem wysokoczęstotliwościowych odkształceń w napięciach transformatora.

Przy zasilaniu kilku przemienników częstotliwości z jednego transformatora (napędy grupowe) nie występuje szkodliwe wzajemne oddziaływanie prądu upływu pojemnościowego między przemiennikami częstotliwości [16].

Literatura

1. J. Szymański, Zaburzenia doziemne przemienników częstotliwości w układach kolejowych, „elektro.info” nr 1–2/2015.
2. J. Szymański, Napięcia zaburzeń doziemnych i międzyfazowych w napędach z przekształtnikami częstotliwości, „elektro.info” nr 11/2013.
3. S. Czapp, Działanie wyłączników różnicowoprądowych przy podwyższonej częstotliwości prądu różnicowego, „elektro.info” nr 10/2008.
4. Allen-Bradley Rockwell Automation, Wiring and grounding guidelines for pulse width modulated (PWM) AC drives, Installation instructions. 2013.
5. J. Szymański, Odkształcenia napięć w nieuziemionych układach zasilania typu IT wytwarzane przez przemienniki częstotliwości, „Przegląd Elektrotechniczny”, 1B, 2012.
6. MedCom Sp. z o.o., Warszawa. Nota techniczna: FT-1500-3000 – Falownik trakcyjny do lokomotyw jednosystemowych 2009. www.medcom.com.pl, 2014.
7. K. Gawłowski, Lokomotywa wielosystemowa typu E186 serii EU43, „Technika Transportu Szynowego” nr 1–2/2008.
8. G. Grochowski, M. Parchomiuk, Przetwornica statyczna z trzypoziomowymi przekształtnikami typu NPC do zastosowań trakcyjnych – symulacje i wyniki eksperymentalne, Prace Instytutu Elektrotechniki, zgłoszony do druku, 2015.
9. W. Sokólski, Prądy błądzące – czy to rodzaj zanieczyszczenia środowiska?, „Chemia Przemysłowa” nr 6/2008.Danfoss. Output filters design guide – MG90N402. 2010.
10. J. Szymański, Filtr napięcia zaburzeń wspólnych napięciowych elektronicznych przetwornic częstotliwości zasilanych z trójfazowej sieci nieuziemionej typu IT. Patent PL Nr 219221, 2014.
11. A. Muetze, A. Binder, Don’t Lose Your Bearings – Mitigation techniques for bearing currents in inverter-supplied drive systems, IEEE Industry Applications Magazine nr 8/2006.
12. J. Szymański, Ground currents in voltage frequency drives fed from the ungrounded power network, Technika Transportu Szynowego, CD TransComp 2012, nr 1, 2013.
13. Helukabel. Kable i Przewody 2009/2010 – Katalog i dane techniczne. Pages Q9 – Q10, 2010.
14. A. Charoy, Dunand Ph. Bearing currents induced by a power drive, Automotive Power Electronics, 26–27 Sept., Paris, 2007.
15. R. Tallam, D. Schlegel, F. Hoadley, Failure Mode for AC Drives on High Resistance Grounded System, Twenty-First Annual IEEE on Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC’06, 2006.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!