Ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα κατά τη χρήση μετατροπέων συχνότητας

Ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα (EMC) Είναι η ικανότητα του ηλεκτρικού ή ηλεκτρονικού εξοπλισμού να λειτουργεί κανονικά παρουσία ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Ταυτόχρονα, ο εξοπλισμός δεν πρέπει να παρεμβαίνει στη λειτουργία άλλου εξοπλισμού ή συστημάτων σε κοντινή απόσταση.

Η Οδηγία EMC της Διεθνούς Επιτροπής Ενέργειας (IEC) ορίζει απαιτήσεις ατρωσίας και εκπομπών για ηλεκτρικό εξοπλισμό που χρησιμοποιείται στον Ευρωπαϊκό Οικονομικό Χώρο. Το πρότυπο EMC EN 61800-3 καλύπτει τις απαιτήσεις για μετατροπείς συχνότητας.

Ο μετατροπέας συχνότητας αντλεί ρεύμα από την πηγή μόνο κατά τις περιόδους που η στιγμιαία τιμή του ημιτονοειδούς κύματος της πηγής ισχύος είναι υψηλότερη από την τάση σύνδεσης DC, δηλ. στην περιοχή τάσης πηγής αιχμής. Ως αποτέλεσμα, το ρεύμα δεν ρέει συνεχώς, αλλά κατά διαστήματα, με πολύ υψηλές τιμές κορυφής.

Αυτός ο τύπος κυματομορφής ρεύματος περιλαμβάνει, μαζί με τις θεμελιώδεις συνιστώσες συχνότητας, ένα περισσότερο ή λιγότερο υψηλό ποσοστό αρμονικών στοιχείων (αρμονικές τροφοδοσίας).

Στους τριφασικούς μετατροπείς συχνότητας αποτελούνται κυρίως από 5η, 7η, 11η και 13η αρμονική. Αυτά τα ρεύματα προκαλούν παραμόρφωση της κυματομορφής της τάσης τροφοδοσίας, η οποία επηρεάζει άλλους ηλεκτρικούς καταναλωτές στο ίδιο δίκτυο.

Επίσης, τα εναλλασσόμενα ρεύματα προκαλούν διακυμάνσεις κυκλώματα διόρθωσης συντελεστή ισχύος κάτω από ορισμένες κρίσιμες συνθήκες που μπορεί να οδηγήσουν σε υπέρταση.

Οι συνθήκες είναι κρίσιμες όταν:

• Τουλάχιστον το 10 — 20% της ισχύος της εγκατάστασης σχηματίζεται από τον μετατροπέα και τον μη ελεγχόμενο ανορθωτή του μετατροπέα συχνότητας.

• το κύκλωμα αντιστάθμισης λειτουργεί χωρίς διακοπή.

• το χαμηλότερο στάδιο αντιστάθμισης δημιουργεί ένα κύκλωμα συντονισμού μαζί με τον μετασχηματιστή τροφοδοσίας και μια συχνότητα συντονισμού κοντά στις 5 ή 7 αρμονικές των 50 Hz, δηλ. περίπου 250 ή 350 Hz.

Ως αποτέλεσμα της πολύ γρήγορης εναλλαγής των τρανζίστορ μετατροπέα στο διαμόρφωση πλάτους παλμού παρατηρούνται ακουστικά φαινόμενα, τα οποία έχουν αρνητικό αντίκτυπο στο ηλεκτρικό δίκτυο και στον ηλεκτροκινητήρα.

Η ταχεία εναλλαγή των διακοπτών τρανζίστορ του μετατροπέα έχει ως αποτέλεσμα ένα ευρυζωνικό σήμα παρεμβολής που επηρεάζει το περιβάλλον μέσω των καλωδίων του κινητήρα. Οι συνεχείς αλλαγές στην επαγωγή που προκαλούνται από τα διαστήματα τάσης ελέγχου PWM και DTC έχουν ως αποτέλεσμα ελαφρές αλλαγές στο μήκος των φύλλων του πυρήνα του κινητήρα (μαγνητοσυστολή), με αποτέλεσμα έναν χαρακτηριστικό διαμορφωμένο θόρυβο στη στοίβα πυρήνα του στάτορα κινητήρα.

Η τάση εξόδου του μετατροπέα συχνότητας είναι υψηλής συχνότητας ορθογώνιο παλμικό τρένο με διαφορετική πολικότητα και διάρκεια με το ίδιο πλάτος.Η κλίση του μπροστινού μέρους του παλμού τάσης καθορίζεται από την ταχύτητα μεταγωγής των διακοπτών ισχύος του μετατροπέα και είναι διαφορετική όταν χρησιμοποιούνται διαφορετικές συσκευές ημιαγωγών (για παράδειγμα: Τρανζίστορ IGBT δηλαδή 0,05 — 0,1 μs).

Η διέλευση ενός σήματος παλμού με απότομο μέτωπο προκαλεί διεργασίες κυμάτων στο καλώδιο και οδηγεί σε υπερτάσεις στους ακροδέκτες του κινητήρα.

Το μήκος του καλωδίου του κινητήρα εξαρτάται από το μήκος του κύματος υψηλής συχνότητας (μέτωπο παλμού) που διαδίδεται μέσω αυτού.Κρίσιμο είναι ένα μήκος καλωδίου ίσο με το ήμισυ του μήκους κύματος στο οποίο εφαρμόζονται παλμοί τάσης στις περιελίξεις του επαγωγικού κινητήρα. κοντά σε μέγεθος στο διπλάσιο της τάσης σύνδεσης DC.

Σε ηλεκτρικούς κινητήρες για κατηγορία τάσης 0,4 kV, η υπέρταση μπορεί να φτάσει τα 1000 V. Αυτό το πρόβλημα ονομάζεται προβλήματα καλωδίων μεγάλου μήκους.

Μπλοκ διάγραμμα μετατροπέα συχνότητας με φίλτρα εισόδου και εξόδου

Για να πληρούνται οι απαιτήσεις των προτύπων EMC, χρησιμοποιούνται τσοκ γραμμής και φίλτρα EMC σε μονάδες μετατροπέων συχνότητας.

Τα φίλτρα EMC μειώνουν τον ακουστικό θόρυβο που εκπέμπεται από τον μορφοτροπέα και για τους περισσότερους τύπους μορφοτροπέων είναι ενσωματωμένοι στο εργοστάσιο στο περίβλημα του αισθητήρα. Οι αντιδραστήρες γραμμής έχουν σχεδιαστεί για να μειώνουν τα υψηλά ρεύματα εισόδου και επομένως τις αρμονικές του ρεύματος γραμμής και να βελτιώνουν την προστασία από υπερτάσεις της ρυθμιζόμενης μετάδοσης συχνότητας.

Η λύση στο πρόβλημα του «μακριού καλωδίου» είναι η ανάγκη εφαρμογής τεχνικών λύσεων για τον περιορισμό των υπερτάσεων και των ρευμάτων εισόδου στους ακροδέκτες του ηλεκτροκινητήρα. Αυτά περιλαμβάνουν την εγκατάσταση τσοκ εξόδου, φίλτρων, ημιτονοειδών φίλτρων.

Διάγραμμα σύνδεσης μετατροπέα συχνότητας

Τα τσοκ εξόδου χρησιμεύουν κυρίως για τον περιορισμό των αιχμών ρεύματος που εμφανίζονται στα μακριά καλώδια κινητήρα λόγω υπερφόρτισης των υποδοχών καλωδίων και μειώνουν ελαφρώς την αύξηση τάσης στους ακροδέκτες του κινητήρα, αλλά δεν μειώνουν τις κορυφές τάσης στους ακροδέκτες του κινητήρα.

Γραμμικό τσοκ

Τα φίλτρα προστατεύουν τη μόνωση του κινητήρα περιορίζοντας την αύξηση της τάσης και μειώνοντας τις κορυφές τάσης στους ακροδέκτες του κινητήρα σε μη κρίσιμες τιμές, ενώ τα φίλτρα μειώνουν τις κορυφές ρεύματος που εμφανίζονται όταν τα δοχεία καλωδίων επαναφορτίζονται περιοδικά.

Φίλτρα EMC

Τα ημιτονοειδή φίλτρα παρέχουν μια σχεδόν ημιτονοειδή τάση στην έξοδο του μετατροπέα.

Επιπλέον, τα ημιτονοειδή φίλτρα μειώνουν τον ρυθμό ανόδου της τάσης ακροδεκτών του κινητήρα σε μια τιμή, αφαιρούν τις κορυφές τάσης, μειώνουν τις πρόσθετες απώλειες στον κινητήρα και μειώνουν τον θόρυβο του κινητήρα.

Για μακριά καλώδια κινητήρα, τα ημιτονοειδή φίλτρα μειώνουν τις κορυφές ρεύματος που δημιουργούνται από την περιοδική επαναφόρτιση των δοχείων καλωδίων.

Εκτός από τις παραπάνω μεθόδους περιορισμού των υπερτάσεων στους ακροδέκτες του ηλεκτροκινητήρα, πρέπει να σημειωθούν δύο αποτελεσματικοί τρόποι επίλυσης του προβλήματος ενός μακριού καλωδίου, οι οποίοι δεν απαιτούν μεγάλες επενδύσεις και μπορούν να πραγματοποιηθούν απευθείας από τον χρήστη:

1. Εγκατάσταση σειράς LC — φίλτρο στην έξοδο του μετατροπέα συχνότητας για μείωση της κλίσης της πρόσφατης ακμής των παλμών τάσης εξόδου του μετατροπέα.

2.Εγκατάσταση παράλληλου φίλτρου RC απευθείας στους ακροδέκτες του κινητήρα για να ταιριάζει με την αντίσταση κύματος του καλωδίου.

Εκτός από τις παραπάνω μεθόδους διασφάλισης της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας, πρέπει να σημειωθεί η ανάγκη χρήσης θωρακισμένων καλωδίων για τη σύνδεση του μετατροπέα συχνότητας και του ηλεκτροκινητήρα. Για την αποτελεσματική καταστολή της ακτινοβολούμενης παρεμβολής υψηλής συχνότητας, η αγωγιμότητα της οθόνης θα πρέπει να είναι τουλάχιστον το 1/10 της αγωγιμότητας του αγωγού φάσης.

Μία από τις παραμέτρους που επιτρέπουν την αξιολόγηση της αγωγιμότητας της οθόνης είναι η αυτεπαγωγή της, η οποία πρέπει να είναι μικρή και να εξαρτάται όσο το δυνατόν λιγότερο από τη συχνότητα. Αυτές οι απαιτήσεις ικανοποιούνται εύκολα με χρήση θωράκισης από χαλκό ή αλουμίνιο.

Οι ασπίδες του καλωδίου που συνδέει τον μετατροπέα συχνότητας και τον κινητήρα πρέπει να είναι γειωμένες και στα δύο άκρα.Όσο καλύτερη και πιο σφιχτή είναι η θωράκιση, τόσο χαμηλότερο είναι το επίπεδο ακτινοβολίας και το μέγεθος του ρεύματος στα ρουλεμάν του κινητήρα.

Οθόνη του καλωδίου του κινητήρα για τον μετατροπέα συχνότητας

Η ασπίδα αποτελείται από ένα ομόκεντρο στρώμα χάλκινων συρμάτων και μια περιελιγμένη χάλκινη λωρίδα.

Κανονικά η θωράκιση του καλωδίου ελέγχου γειώνεται απευθείας στον μετατροπέα συχνότητας. Το άλλο άκρο της θωράκισης παραμένει μη γειωμένο ή συνδεδεμένο με τη γείωση μέσω ενός πυκνωτή υψηλής τάσης υψηλής συχνότητας λίγων nF.

Συνιστάται η χρήση καλωδίου συνεστραμμένου ζεύγους με δύο ασπίδες για τη σύνδεση αναλογικών σημάτων. Η χρήση ενός τέτοιου καλωδίου συνιστάται επίσης για τη σύνδεση σημάτων από αισθητήρα ταχύτητας παλμού. Για κάθε σήμα πρέπει να χρησιμοποιείται ένα καλώδιο με ξεχωριστή θωράκιση.

Για ψηφιακά σήματα χαμηλής τάσης, συνιστάται επίσης η χρήση καλωδίου συνεστραμμένου ζεύγους διπλής θωράκισης, αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλά καλώδια συνεστραμμένου ζεύγους με κοινή θωράκιση.

Καλώδιο διπλής θωράκισης συνεστραμμένου ζεύγους (α) και καλώδιο με πολλά συνεστραμμένα ζεύγη και μία κοινή θωράκιση (β)