f

Силовая электроника №1'2006

Внешние фильтры электромагнитной совместимости частотно-регулируемого асинхронного электропривода с IGBT инвертором

Сергей Шишкин


Совершенствование приводной техники, в частности систем с частотным регулированием скорости электропривода, усложняет обеспечение допустимых уровней помехоустойчивости и высокочастотного кондуктивного излучения промышленных преобразователей в диапазоне 150 кГц — 30 МГц. Современные преобразователи частоты (ПЧ), несмотря на использование встроенных сетевых фильтров и оптимизацию топологии сигнальных и измерительных цепей элементов [1], в ряде случаев не могут обойтись без установки дополнительных внешних фильтров электромагнитной совместимости. В статье рассматривается конструкция и эффективность применения внешних фильтров электромагнитной совместимости, устанавливаемых между выходом ПЧ и электродвигателями асинхронного электропривода.


Основу электропривода большой группы механизмов различного функционального назначения составляют асинхронный электродвигатель (АД) и ПЧ, включающий автономный инвертор напряжения (АИН) на базе силовых полупроводниковых элементов — тиристоров SCR, GTO, IGC, а также силовые транзисторов IGBT, реализующий функцию синусоидальности выходного напряжения Uвых посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Дискретно формируемый сигнал Uвых, вне зависимости от частоты, содержит последовательность импульсов различной длительности с одинаковой амплитудой, приблизительно в 1,35 раза превышающей действующее значение напряжения питания ПЧ [2] и коротким временем нарастания:

  • однооперационные тиристоры SCR — 4-10 мкс;
  • двухоперационные  (запираемые)   тиристоры GTO — 2-4 мкс, IGC — 0,5-2 мкс;
  • силовые транзисторы IGBT — 0,05-0,1 мкс. Вследствие высокого быстродействия транзисторов

IGBT, обеспечивающего минимизацию энергетических потерь привода, переходные процессы, вызванные коммутацией ключей АИН, приводят к образованию ВЧ-шумов и помех [1], причем источником электромагнитной помехи (ЭМП) является ПЧ, а приемниками — трехпроводный соединительный кабель (как правило, экранированный) и обмотка статора асинхронного электродвигателя [4]. Качественные показатели системы регулирования зависят от степени внешнего воздействия ЭМП на асинхронный электродвигатель, в общем виде описываемого формулой:

(1)

Здесь tp — время работы привода, W— оператор функционального преобразования, учитывающий реакцию асинхронного электродвигателя на ЭМП, Ψ(t) — текущий уровень ЭМП. Соответственно, временная функция напряжения u(t), возбуждаемого ЭМП на сопротивлении нагрузки активно-индуктивного характера Zн = Rн+jωfLн, тождественна индуктивности Lн рассеяния обмоток асинхронного электродвигателя и эквивалентной частоте импульсов ШИМωf [3]:

(2)

где Un и φn— действующее значение напряжения и фаза n-й гармоники, ω0 — частота основной гармоники.

Перемещение ЭМП по соединительному кабелю вызовет волновые процессы, приводящие к всплескам напряжения на зажимах асинхронного электродвигателя. Если рассматривать кабель как однородную линию с распределенными параметрами [5], то, пренебрегая, ввиду относительной малости, активным сопротивлением rк и проводимостью утечки gк, волновое (характеристическое) сопротивление кабеля — будут определять его последовательная индуктивность  Lkf xLkLrk) и параллельная емкость СК(ωfxCkLgk), аналогично линии без потерь [5]. Фазовая скорость распространения ЭМП в подобной линии адекватна длине волны — λ= 2πxνff   [5], а время прохождения ЭМП от АИН до зажимов асинхронного электродвигателя Тf пропорционально длине кабеля l:

Tf=l/νf (3)

При этом кабель, длина которого соизмерима с λ, считается «длинным кабелем».

Когда время Тf (3) превысит время нарастания фронта импульса ШИМ, в конце кабеля из-за его несогласованности сопротивления нагрузки (большим для ВЧ-сигнала ЭМП сопротивлением обмоток асинхронного электродвигателя, равнозначным условию Zн L Z0) появится противоположно направленная прямой (падающей) волне Uвых обратная (отраженная) волна напряжения quxUвых , которые, накладываясь друг на друга, образуют стоячие волны [5]. В результате на зажимах асинхронного электродвигателя появится напряжение (табл. 1):

Urms=Uвых(1+qu) , (4)

где 0< qu  ≤1— коэффициент отражения, равный соотношению обратной и прямой волны напряжения [5]. Возвращаясь к началу линии, отраженная волна гасится на выходном сопротивлении ПЧ Z вых < Z0.

Как показали результаты испытания электродвигателя 5A160S6 мощностью 11 кВт, соединенного с ПЧ типа MIDIMASTER vector (модель 6SE3223 мощностью 15 кВт) специальным экранированным кабелем длиной 50 м [4], наложение u(t) на Uвых (4) снизит вращающий момент асинхронного электродвигателя, усилит вибрацию вала и нагрев обмотки статора [3]. Импульсный характер ЭМП вызовет бросок тока di/dtв катушечной группе, причем первый виток первой катушки однослойной всыпной обмотки асинхронного электродвигателя воспримет до 75% [4] пика индуктируемого напряжения (табл. 1), максимальное значение которого для низковольтных асинхронных электродвигателей, согласно IEC 60034-17, составляет 1,4 кВ. Последовательное полное сопротивление системы регулирования (1) с ростом тактовой (несущей) частоты ШИМ увеличивается, и даже небольшие токи ВЧ-помех вызывают значительные (от нескольких кВ/с) перепады (всплески) напряжения — du/dt. Высокая крутизна фронта импульса ЭМП повышает требования к диэлектрической прочности изоляции обмотки (табл. 1). Отметим, что некоторые изготовители ПЧ (ABB, Siemens и др.) иногда комплектуют привод собственными, адаптированными модификациями асинхронного электродвигателя с усиленной изоляцией обмоток [2].

Наряду с композиционной и схемной оптимизацией топологии соединения звеньев [1] на выходе ПЧ можно установить дополнительный синусоидальный фильтр du/dt (табл. 2), ограничивающий скорость изменения, а также дифференцированно вычитающий пики пульсаций линейного напряжения между инвертором и асинхронным электродвигателем до регламентируемого стандартом IEC 60034-17 значения. Для рассматриваемой симметричной электрической цепи (незаземленной или с заземленной средней точкой) противофазная помеха (differential mode) проявляется в виде симметричных (symmetrical) напряжений, вызываемых разностью потенциалов на фазных проводах кабеля соединения ПЧ с нагрузкой, и замыкается через междуфазные емкости Х-конденсаторов фильтра. При этом огибающая кривая тактированного U вых приближается к синусоидальной, а шумы [1] и вихревые токи, наводимые в обмотке асинхронного электродвигателя, снижаются. Вносимое синусоидальным фильтром затухание определяется комбинацией волновых сопротивлений источника помех, нагрузки и соединительного кабеля [4]. Коэффициент вносимого затухания (insertion loss) αe рассчитывается следующим образом [6]:

(5)

Здесь U0 — напряжение холостого хода источника ЭМП; U2 — напряжение ЭМП на Zн, а из-за необходимости их согласования в знаменателе появляется 2.

Хотя αe (6) является критерием действия фильтра в согласованных системах (в каталогах [6] приводятся кривые подавления помех, измеряемые при сопротивлении Z = 50 Ом на входе и выходе схемы фильтра — см. рис. 1), он полностью непригоден для оценки эффективности работы фильтра в реальном контуре системы регулирования (2). Поэтому выбор фильтра, обеспечивающего требуемое затухание (5) между ПЧ и асинхронным электродвигателем, возможен только после проведения измерений ЭМП в конкретной схеме соединения.

Развитие технологии IGBT
Рис. 1. Коэффициент затухания, вносимый внешним фильтром В84143_В25_R105, при Z = 50 Ом [9]

Результаты измерений (рис. 2) показывают, что в пределах соблюдения технических условий эксплуатации ПЧ, определяемых тактовой частотой инвертора, длиной и числом кабелей подключенных асинхронных электродвигателей [7, 8], уровень помех не выходит за пределы максимально допустимой степени излучения, определенной в стандарте EN 55011. Оценить влияние тактовой частоты инвертора ПЧ при «длинном» (50 м) кабеле подключения привода [4] можно по вариации значений напряжений, представленных в таблице 1.

Рис. 1. Развитие технологии IGBT
Рис. 2. Результаты измерения уровня ЭМП [7] между ПЧ с внутренним подавлением помех и асинхронным электродвигателем (мощностью 11 кВт)

Согласно рекомендации VDEW (Объединение энергопроизводителей Германии) при тактовой частоте свыше 2 кГц для снижения риска возникновения резонанса, обусловленного проявлением волновых свойств «длинного» кабеля и обмотки асинхронного электродвигателя, необходимо использовать внешние фильтры электромагнитной совместимости [7, 8]. К тому же синусоидальный фильтр du/dt (табл. 2) практически не влияет на величину несимметричных (unsymmetrical) ЭМП между жилами соединительного кабеля и заземлением, а также на ток утечки [6]. На рис. 4 приведены графики уровня помех ПЧ при подключении внешнего фильтра В84143-В25-R105 (табл. 3), одновременно уменьшающего емкостные токи утечки и высокочастотное излучение соединительного кабеля, из которых видно, что уровень помех снизился до допустимых значений. Опосредованный увеличением длины кабеля (рис. 2, 3) рост паразитной емкости, формируемой между кабелем, витками лобовой и пазовой части обмотки асинхронного электродвигателя [4], корпусом, экраном и заземлением, а также высокочастотные асимметричные (синфазные) токи, генерируемые АИН, периодически вводят выходной (моторный) компенсирующий дроссель ПЧ в насыщение. То есть из-за нелинейности характеристики намагничивания ферромагнитного сердечника и зависимости его магнитной проницаемости от частоты дроссель выступает в качестве дополнительного широкополосного источника помех [7]. Переход дросселя в режим насыщения отразился на начальной форме кривых (рис. 4), зафиксированных квазипиковым (широкополосным) детектором (QP), и в меньшей степени — усредняющим (узкополосным) детектором (AV). Разброс значений, измеренных широкополосным детектором (рис. 4) на частотах до 0,5 МГц, также объясняется насыщением внутреннего компенсирующего дросселя в этом частотном диапазоне. Если тот же самый ПЧ будет использоваться с внешним фильтром В84143-В25-R105, но без внутреннего компенсирующего дросселя, то форсированный заряд Х-конденсаторов фильтра будет способствовать сдерживанию уровня противофазных ЭМП в допустимых пределах (рис. 3). В свою очередь, Y-конденсаторы с разрядными резисторами и включенная перед ними токо-компенсирующая катушка индуктивности осуществляют подавление несимметричных помех в линии [9].

Рис. 1. Развитие технологии IGBT
Рис. 3. Результаты измерения уровня ЭМП [7] при длине кабеля соединения между ПЧ и асинхронным электродвигателем = 50 м
Рис. 1. Развитие технологии IGBT
Рис. 4. Результаты измерения уровня ЭМП [7] при одновременном подключении внутреннего и внешнего фильтра B84143_B25_R110. Длина соединительного кабеля между ПЧ и асинхронным электродвигателем — 50 м

Во многом задача обеспечения электромагнитной совместимости усложняется при подключении к ПЧ нескольких асинхронных электродвигателей, даже когда эквивалентная длина соединительного кабеля останется неизменной [7]. Это объясняется тем, что емкости подводящих проводов относительно земли частично образуют параллельное соединение, поэтому суммарная паразитная емкость возрастает, а уровень ЭМП увеличивается. Известно, что из-за индуктивности проводов параллельное соединение двух экранированных кабелей нельзя приравнивать к параллельному соединению двух паразитных емкостей [7]. Сравнение результатов измерений, представленных на рис. 3 и 5, показывают, что даже при удаленном внутреннем компенсационном дросселе нормы электромагнитной совместимости при подключении двух асинхронных электродвигателей (7,5 и 11 кВт), каждый из которых имеет подводящий кабель длиной по 25 м, обеспечиваются с меньшим запасом, чем при управлении одним асинхронным электродвигателем с подводящим кабелем длиной 50 м.

Рис. 1. Развитие технологии IGBT
Рис. 5. Результат измерения [7] уровня ЭМП на выходе ПЧ при работе с двумя параллельно подключенными асинхронными электродвигателями (мощностью 11 и 7,5 кВт). Длина соединительных кабелей каждого двигателя — 25 м

Таким образом, ограничение наведенных волновых перенапряжений — соотношения «сигнал — шум» [1] — с помощью дополнительных внешних фильтров электромагнитной совместимости позволяет увеличить до 500 м длину соединительного кабеля (практически соразмерную условию ограничения протяженности низковольтного кабеля по допустимой потере напряжения) [6], что существенно расширяет диапазон применения ПЧ на базе IGBT инверторов.

Литература

  1. Колпаков А. И. Особенности проектирования частотных преобразователей средней и большой мощности // Электронные компоненты. 2003. № 6.
  2. Низковольтный привод переменного тока DriveIT. Каталог ACS800. Программные средства и дополнительное оборудование. ABB 3AFE 64589075 REV E RU 15.01.2004.
  3. Андрианов М. В., Родионов Р. В. Определение параметров фильтрующих устройств для обеспечения электромагнитной совместимости электроприводов // Электротехника. 1999. № 11.
  4. Андрианов М. В., Родионов Р. В. Экспериментальные исследования специальных режимов работы частотно-регулируемых асинхронных двигателей // Энергетика в нефтегазодобыче. 2005. № 1-2.
  5. Нейман Л. Р., Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники. Т. 1. Л.: Энергия. 1967.
  6. EMS Filters. Published by EPCOS AG. Ordering No. EPC: 24004-7600. Germany. 2001.
  7. Paulwitz C, Jurgens C. Drives without interference // EPCOS COMPONENTS. 2003. N 3.
  8. Kremer M. Knocking out the interference // Components focus power supplies. Published by EPCOS AG. Ordering No. EPC: 50120-7600. 2002.
  9. EMC Filters. 3-Line Filters B84143-A*-R105. http://www.epcos.com.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_01_42.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо