Elektromagnetinis suderinamumas naudojant dažnio keitiklius

Elektromagnetinis suderinamumas (EMS) Tai elektrinės ar elektroninės įrangos gebėjimas normaliai veikti esant elektromagnetiniams laukams. Tuo pačiu metu įranga neturi trukdyti kitos netoliese esančios įrangos ar sistemų veikimui.

Tarptautinės energetikos komisijos (IEC) EMC direktyva nustato atsparumo ir emisijos reikalavimus elektros įrangai, naudojamai Europos ekonominėje erdvėje. EMC EN 61800-3 standartas apima reikalavimus dažnio keitikliams.

Dažnio keitiklis ima srovę iš šaltinio tik tais laikotarpiais, kai maitinimo šaltinio sinusinės bangos momentinė vertė yra didesnė už nuolatinės srovės grandinės įtampą, t.y. didžiausios šaltinio įtampos srityje. Dėl to srovė teka ne nuolat, o su pertrūkiais, o didžiausios vertės yra labai didelės.

Šio tipo srovės bangos forma, kartu su pagrindiniais dažnio komponentais, apima daugiau ar mažiau didelę harmoninių komponentų (tiekimo harmonikų) dalį.

Trifaziuose dažnio keitikliuose jie daugiausia susideda iš 5-osios, 7-osios, 11-osios ir 13-osios harmonikų. Šios srovės sukelia maitinimo įtampos bangos formos iškraipymus, kurie paveikia kitus tame pačiame tinkle esančius elektros vartotojus.

Be to, kintamos srovės sukelia svyravimus galios koeficiento korekcijos grandinės kai kuriomis kritinėmis sąlygomis, dėl kurių gali atsirasti viršįtampis.

Sąlygos yra kritinės, kai:

• ne mažiau kaip 10 — 20 % įrenginio galios sudaro keitiklis ir dažnio keitiklio nevaldomas lygintuvas;

• kompensavimo grandinė veikia be pertrūkių;

• žemiausia kompensavimo pakopa sukuria rezonansinę grandinę kartu su maitinimo transformatoriumi ir rezonansinį dažnį, artimą 5 ar 7 harmonikoms 50 Hz, t.y. apie 250 arba 350 Hz.

Dėl labai greito keitiklio tranzistorių perjungimo ties impulsų pločio moduliacija pastebimas akustinis poveikis, kuris neigiamai veikia elektros tinklą ir elektros variklį.

Greitas keitiklio tranzistorinių jungiklių perjungimas lemia plačiajuosčio ryšio trikdžių signalą, kuris variklio kabeliais veikia aplinką. Dėl nuolatinių induktyvumo pokyčių, kuriuos sukelia PWM ir DTC valdymo įtampos intervalai, šiek tiek pasikeičia variklio šerdies lakštų ilgis (magnetostrikcija), todėl variklio statoriaus šerdies krūvoje atsiranda būdingas moduliuotas triukšmas.

Dažnio keitiklio išėjimo įtampa yra aukšto dažnio stačiakampio pulso traukinys su skirtingu poliškumu ir trukme ta pačia amplitude.Įtampos impulso priekio statumas nustatomas pagal keitiklio maitinimo jungiklių perjungimo greitį ir skiriasi, kai naudojami skirtingi puslaidininkiniai įtaisai (pvz.: IGBT tranzistoriai tai yra 0,05–0,1 μs).

Impulsinio signalo praėjimas su stačiu priekiu sukelia bangų procesus kabelyje ir sukelia viršįtampius variklio gnybtuose.

Variklio kabelio ilgis priklauso nuo juo sklindančios aukšto dažnio bangos (impulsinio fronto) ilgio.Kritinis yra kabelio ilgis, lygus pusei bangos ilgio, kuriam esant į indukcinio variklio apvijas įvedami įtampos impulsai, kurie yra pagal dydį du kartus didesnė už nuolatinės srovės grandinės įtampą.

0,4 kV įtampos klasės elektrinėse pavarose viršįtampis gali siekti 1000 V. Ši problema vadinama ilgo kabelio problemomis.

Dažnio keitiklio su įėjimo ir išėjimo filtrais blokinė schema

Kad atitiktų EMC standartų reikalavimus, dažnio keitiklio pavarose naudojami linijiniai droseliai ir EMC filtrai.

EMC filtrai sumažina keitiklio skleidžiamą akustinį triukšmą ir daugeliui keitiklių tipų yra gamykloje įmontuoti į zondo korpusą. Linijiniai reaktoriai yra skirti sumažinti dideles įsijungimo sroves, taigi ir linijos srovės harmoniką, bei pagerinti reguliuojamo dažnio pavaros apsaugą nuo viršįtampių.

„Ilgo kabelio“ problemos sprendimas yra būtinybė taikyti techninius sprendimus, leidžiančius apriboti viršįtampius ir įjungimo sroves elektros variklio gnybtuose. Tai apima išėjimo droselių, filtrų, sinusinių filtrų įrengimą.

Dažnio keitiklio prijungimo schema

Išvesties droseliai pirmiausia skirti apriboti srovės šuolius ilguose variklio kabeliuose dėl kabelių lizdų perkrovimo ir šiek tiek sumažinti įtampos kilimą variklio gnybtuose, tačiau jie nesumažina įtampos smailių variklio gnybtuose.

Linijinis droselis

Filtrai apsaugo variklio izoliaciją ribodami įtampos kilimą ir sumažindami įtampos smailes variklio gnybtuose iki nekritinių verčių, o filtrai sumažina srovės smailes, kurios atsiranda periodiškai įkraunant kabelių talpyklas.

EMC filtrai

Sinusoidiniai filtrai keitiklio išvestyje suteikia beveik sinusoidinę įtampą.

Be to, sinusiniai filtrai sumažina variklio gnybtų įtampos kilimo greitį iki vertės, pašalina įtampos smailes, sumažina papildomus variklio nuostolius ir sumažina variklio triukšmą.

Ilgiems variklio kabeliams sinusiniai filtrai sumažina srovės smailes, atsirandančias periodiškai įkraunant kabelių talpyklas.

Be aukščiau pateiktų viršįtampių ribojimo elektros variklio gnybtuose metodų, reikėtų pažymėti du veiksmingus ilgo kabelio problemos sprendimo būdus, kuriems nereikia didelių investicijų ir kuriuos vartotojas gali atlikti tiesiogiai:

1. Serijinio LC – filtro įrengimas dažnio keitiklio išėjime, siekiant sumažinti keitiklio išėjimo įtampos impulsų priekinio krašto statumą;

2.Lygiagrečio RC filtro montavimas tiesiai prie variklio gnybtų, kad atitiktų kabelio bangos varžą.

Be minėtų elektromagnetinio suderinamumo užtikrinimo metodų, reikia atkreipti dėmesį į būtinybę naudoti ekranuotus kabelius dažnio keitiklio ir elektros variklio prijungimui. Norint veiksmingai slopinti skleidžiamus aukšto dažnio trukdžius, ekrano laidumas turi būti bent 1/10 fazinio laidininko laidumo.

Vienas iš parametrų, leidžiančių įvertinti ekrano laidumą, yra jo induktyvumas, kuris turėtų būti mažas ir kuo mažiau priklausyti nuo dažnio. Šiuos reikalavimus nesunku įvykdyti naudojant varinį arba aliuminio skydą (šarvus).

Kabelio, jungiančio dažnio keitiklį ir variklį, ekranai turi būti įžeminti iš abiejų galų Kuo geresnis ir tvirtesnis ekranas, tuo mažesnis radiacijos lygis ir srovės dydis variklio guoliuose.

Dažnio keitiklio variklio kabelio ekranas

Skydas susideda iš koncentrinio varinių laidų sluoksnio ir suvyniotos varinės juostos.

Paprastai valdymo kabelio ekranas įžeminamas tiesiai prie dažnio keitiklio. Kitas ekrano galas paliekamas neįžemintas arba prijungtas prie žemės per aukštos įtampos kelių nF aukšto dažnio kondensatorių.

Analoginiams signalams prijungti rekomenduojama naudoti vytos poros kabelį su dviem ekranais. Tokį kabelį taip pat rekomenduojama naudoti jungiant signalus iš impulsinio greičio jutiklio. Kiekvienam signalui reikia naudoti vieną kabelį su atskiru ekranu.

Žemos įtampos skaitmeniniams signalams taip pat rekomenduojama naudoti dvigubai ekranuotą vytos poros kabelį, tačiau galima naudoti kelis vytos poros kabelius su bendru ekranu.

Dvigubai ekranuotas vytos poros kabelis (a) ir kabelis su keliomis vytos poromis ir vienu bendru ekranu (b)