Dr inż. J. Szymański
Strona 1
Ochrona przeciwporażeniowa instalacji
napędowych z napięciowymi
przemiennikami częstotliwości zasilanymi
z sieci TN-S do 1kV.
• Prądy i napięcia na wejściach i wyjściach mocy
przemiennika napięciowego.
• Przemiennik częstotliwości a zagrożenie
porażeniem.
dr inż. Jerzy Szymański
Politechnika Radomska
e-mail: j.szymanski@radom.pr.pl
Dr inż. J. Szymański
Strona 2
Nieliniowe obciążenie – źródło harmonicznych prądu
i zwiększonych zakłóceń
Nieliniowe obciążenie
Nieliniowe obciążenie
zniekształcenie prądu
zniekształcenie prądu
zniekształcenia napięcia
zniekształcenia napięcia
Impedancja
układu zasilania
Zakłócenia
przekazywane do otoczenia
Zakłócenia
przekazywane do otoczenia
Występowanie harmonicznych
nieparzystych: 1, 5, 7, 11 ...
Występowanie harmonicznych
nieparzystych:
1
, 5, 7, 11 ...
Harmoniczne prądu są przyczyną nieprawidłowego działania wielu
technicznych środków ochrony przeciwporażeniowej wskutek
występowania dużych zakłóceń asymetrycznych.
Dr inż. J. Szymański
Strona 3
Analiza harmonicznych
------------------------------------------------
Składowa podstaw.
38.57 A
Współ. THDi
104.52%
I RMS
55.79 A
Stała Harm. - Hc 704 %
Harmoniczne:
5’th
30.41 A
7’th
23.64 A
11’th
10.01 A
13’th
5.07 A
------------------------------------------------
Analiza harmonicznych
------------------------------------------------
Składowa podstaw.
38.57 A
Współ. THDi
104.52%
I RMS
55.79 A
Stała Harm. - Hc 704 %
Harmoniczne:
5’th
30.41 A
7’th
23.64 A
11’th
10.01 A
13’th
5.07 A
------------------------------------------------
Zniekształcenia prądu zasilania prostownika 3f6d
%
100
2
2
1
h
h
c
I
I
h
H
IFL- pełny prąd odciążenia przemiennika,
ISC – prąd zwarciowy transformatora
zasilania
%
SC
FL
c
I
I
H
THDu
Dr inż. J. Szymański
Strona 4
Przemiennik częstotliwości w instalacji napędowej to
źródło prądów zakłóceń generowanych do sieci i silnika
Każde 10 metrów kabla NN – 10 mm2
odpowiada reaktancji indukcyjnej dla 50Hz - X, ok. 1m
A [mm2] R [mOhm/m] X [mOhm/m] Z [mOhm/m]
Imax [A]
10
1,810
0,103
1,813
50
35
0,530
0,092
0,538
111
50
0,390
0,09
0,400
134
95
0,200
0,086
0,218
207
120
0,157
0,086
0,179
239
Dwa obwody generowania zakłóceń asymetrycznych
o zmiennej dynamice:
1. Prostownik 3f6d przemiennika - sieć zasilania
(zależnie od obciążenia)
2. Falownik PWM przemiennika – silnik
(zależnie od częstotliwości harmonicznej
podstawowej
napięcia zasilania silnika)
Rezonans
szeregowy -
napięciowy
Dr inż. J. Szymański
Strona 5
Rodzaj i sposób podłączenia kabla
silnikowego
decyduje o zapewnieniu ochrony
dodatkowej
Napięcie międzyfazowe i prąd
wyjściowy
przemiennika PWM
T
dz
=5ms. U
dz
=200V, I
dz
=5A,
f
h1
=40Hz.
Kabel ekranowany zmniejsza zawartość prądów zakłóceń
wspólnych
w przewodzie ochronnym PE między silnikiem i
przemiennikiem:
1.
Ważne jest dwustronne łączenie kabla przy większych
odległościach.
2.
Zwiększanie przekroju przewodu ochronnego PE nie
wpływa na zmniejszenie poziomu prądów zakłóceń
wspólnych.
napięciowy przemiennik
częstotliwości
zasilanie
3x400V/50Hz
M
SILNIK AC
PE
AC/DC
DC/AC
Z
I
kabel silnikowy
L1
U
Z
PE1
Z
II
Napięcie fazowe i prąd
wyjściowy przemiennika PWM
obciążonego
silnikiem klatkowym.
Dr inż. J. Szymański
Strona 6
Głębokość modulacji PWM (MSI) zwiększa
zakłócenia asymeryczne
Napięcie na zaciskach silnika:
f
h1
=5Hz (U
max
=768V, U
min
=-600V)
Widmo harmonicznych napięcia;
RMS=136V, Peak=768V,
Napięcie międzyfazowe silnika zasilanego z napięciowego
falownika PWM dla podstawowej harmonicznej o
częstotliwości 5Hz i wartości skutecznej 136V.
Napięcie na zaciskach silnika:
f
h1
=50Hz (U
max
=768V, U
min
=-600V)
Widmo harmonicznych
napięcia;
RMS=420V, Peak=648V
Napięcie międzyfazowe silnika zasilanego z napięciowego
falownika PWM dla podstawowej harmonicznej o
częstotliwości 50Hz i wartości skutecznej 420V.
Silnik: ESg90L4B/TAMEL – 380V/IN=3.7 A/MN=10.1 Nm/PN=1.5 kW/ izol. kl. B/nn=1420 obr/min
Odległość: silnik – przemiennik = 3 m,
Modulacja napięcia wyjściowego przemiennika: VVC
+
(3rd generation PWM principle SFAVM – Stator Flux oriented Asynchronus Vector Modulation)
Uwaga: Przy obciążeniu silnika stałym momentem nominalnym,
poniżej 15 Hz występuje przegrzewanie silnika.
Dr inż. J. Szymański
Strona 7
Podsumowanie
HARMONICZE PRĄDÓW ZAKŁÓCEŃ ASYMETRYCZNYCH NA ZASILANIU
GWAŁTOWNIE SIĘ ZWIĘKSZAJĄ PRZY PRZEWYMIAROWANYCH LUB
NIEDOCIĄŻONYCH PRZEMIENNIKACH CZĘSTOTLIWOŚCI:
• UNIWERSALNE PRZEMYSŁOWE PRZEMIENNIKI, TJ. DEDYKOWANE DO NAPEDÓW
STAŁO
I ZMIENNOMOMENTOWYCH O PRZECIĄŻENIU
150-200%
I
N
SĄ DUŻYM ŹRÓDŁEM
HARMONICZNYCH (
H
c
PRZY OBCIĄŻENIU NOMINALNYM WYNOSI
OK. 700%
).
• PRZEMIENNIKI DO DEDYKOWANE DO APLIKACJI WENTYLATOROWO-POMPOWYCH
SĄ DUŻYM ŹRÓDŁAMI ZAKŁÓCEŃ HARMONICZNYCH ZE WZGLĘDU NA ICH DUŻE
NIEDOCIĄŻENIE PRZY ZMNIEJSZANIU PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKA.
Zagrożenia właściwej pracy technicznych środków ochrony
przeciwporażeniowej.
Ograniczenia zastosowania technicznych środków
ochrony:
• BRAK MOŻLIWOŚCI STOSOWANIA WYŁĄCZNIKÓW PRZECIWPORAŻENIOWYCH
RÓŻNICOWOPRĄDOWYCH (DO 30mA).
• TYPOWE PRĄDY ZAKŁÓCEŃ ASYMETRYCZNYCH W PRZEWODZIE PE OSIĄGAJĄ
WARTOŚCI 50 – 100mA. ZALEŻĄ ONE OD DŁUGOŚCI I RODZAJU KABLA
SLINIKOWEGO.
• STOSOWANIE W INSTALACJI Z PRZEMIENNIKAMI WEJŚCIOWYCH FILTRÓW
HARMONICZNYCH PRĄDU I WYJŚCIOWYCH FILTRÓW HARMONICZNYCH
NAPIĘCIA, MOŻE UMOŻLIWIĆ WŁAŚCIWĄ PRACĘ TECHNICZNYCH URZADZEŃ
UZUPELNIAJACYCH OCHRONE PODSTAWOWĄ I DODATKOWĄ.
Artykuł i prezentację udostępnię dla dydaktyki e-pocztą.