Наша сеть партнеров Banwar
У зв'язку з великою кількістю питань пов'язаних з вибором довжин кабелів між частотними перетворювачами і асинхронними, і синхронними електродвигунами, співробітники ТОВ «Коспа» (сервісного центру YASKAWA), підготували статтю, що стосується як теоретичні, так і практичні аспекти, пов'язані з цим питанням. При написанні статті були використані матеріали www.yaskawa.com .
Переваги використання частотних перетворювачів (перетворювачів частоти, ПЧ, частотники, інверторів) включають в себе: збільшення економії енергії при використанні в високовольтному сегменті, чудове управління швидкістю і моментом, а також більш сучасне забезпечення захисту двигуна. Перетворювачі частоти еволюціонували від схем, що складаються з Дарлінгтонових пар транзисторів (підсилювачі на біполярних транзисторах), до сучасних IGBT-транзисторних модулів. Унікальні особливості IGBT-транзисторів, такі як зниження енерговитрат на перемикання, значно збільшили продуктивність і зробили можливим зменшення габаритних розмірів перетворювачів частоти.
Однак було відмічено, що двигуни, які безвідмовно працювали протягом тривалого часу від мережі, раптово виходили з ладу через кілька тижнів після установки частотного перетворювача. Такий вид аварії, зазвичай обумовлюється виходом з ладу обмотки двигуна через перенапруження. Точніше, аварія відбувається і через коротке замикання фаз між собою, і через замикання фази на корпус. Дослідження показали, що можливість швидкого перемикання IGBT-транзисторів, в сукупності з надмірною довжиною кабелю між двигуном і перетворювачем частоти здатні значно знизити термін життя двигуна.
Щоб зрозуміти, чому перетворювач частоти може стати причиною більш швидкого виходу з ладу двигуна, необхідно розглянути два явища. Першим є відбита хвиля, по-іншому явище стоячій хвилі, другим - перенапруження (перерегулирование напруги при комутаціях), також відоме як умова резонансного контуру. Теоретично ці два явища можуть бути розглянуті по-різному, але на практиці рішення по їх усуненню однаково.
Відбита хвиля. При розгляді довжини кабелю в якості лінії електропередач, наступна формула може бути застосована при розрахунку критичної довжини, або довгою лінії, де має місце відображення хвилі напруги. Критична довжина кабелю визначається формулою:
де, -швидкість наростання хвилі (мс),
м / c-швидкість світла у вакуумі,
-приблизно розподілена індуктивність кабелю,
-час наростання імпульсу напруги,
-довжина кабеля.
Наступне рівняння співвідносить час включення IGBT- транзистора і максимальну довжину проводить лінії (кабелю):
При перевищенні цього значення довжини можливе виникнення явища стоячій хвилі. При збільшенні періоду ШІМ перетворювача частоти з 0,1 мс до 0,3 мс, мінімальна довжина необхідна для перенапруги, зросте з 16 до 48 м.
Перенапруження (перерегулирование напруги). Більш точний опис того, що відбувається в двигуні, виглядає наступним чином. Перенапруження (брязкіт) це функція енергії, запасеної в провіднику, протягом часу наростання кожної вихідний пульсації напруги (ШІМ). У той час, як розподілена індуктивність - особливість довгого провідника, що лежить між двигуном і перетворювачем. Індуктивність збільшує час, необхідний для зарядки ємності двигуна, що в свою чергу призводить до збільшення запасу енергії в лінії. Коли двигун все ж заряджається до необхідного потенціалу, що залишилася енергія лінії продовжує заряджати двигун, збільшуючи значення потенціалу обмоток, сприяючи виникненню перенапруги. Фактично, при досить великій довжині провідника (кабелю), до обмотці двигуна може бути докладено подвійний напруга ланки постійного струму частотного перетворювача. Тобто чим більше відстань між двигуном і перетворювачем, тим більше перенапруження. Однак, некоректно стверджувати, що перенапруження пропорційно довжині кабелю. Максимальне значення перенапруги можна розрахувати:
де, Vmax-максимальне напруження мережі, - максимальне напруження ланки постійного струму,
- максимальне значення перенапруги.
У типових системах на 460В, максимальне перенапруження на клемах двигуна може досягати 1500 В. Майже 80% цієї напруги розподіляється по первинній обмотці двигуна.
Час включення IGBT-транзисторів розроблено з метою можливості впливу на перенапруження. Якщо ключі перемикаються досить повільно, ємність двигуна має можливість зарядитися, а після цього розрядитися в лінію. Однак, при збільшенні швидкості перемикання, напруга, що прикладається до лінії, збільшується, значення збереженої енергії зростає, і, як наслідок зростає перенапруження.
Це пояснює, чому 6-ступінчасті, повільні в порівнянні з сучасними, перетворювачі, що використовують технологію Дарлінгтона (підсилювач) рідко зустрічалися з проблемою перенапруги при тій же довжині кабелю. Також важливо відзначити, трифазні двигуни на 230В в достатній мірі захищені від пробою в наслідок перенапруги, завдяки існуючому стандарту ізоляції.
напівпровідникові ключі
час включення
5-е покоління IGBT ПЧ
~ 15 кГц
4-е покоління IGBT ПЧ
~ 12 кГц
3-е покоління IGBT ПЧ
0,1 мс
1-е покоління IGBT ПЧ
0,25 мс
біполярний транзистор
0,5-1,0 мс
Тиристор, що замикається (GTO)
15-20 мс
Тиристор (SCR)
40-100 мс
Явище коронного розряду.
Для того, щоб зрозуміти, чому перенапруження настільки згубно для двигуна, необхідно розглянути явище коронного розряду. Уявімо, що між провідниками з струмом існує відносний потенціал, який створює електричне поле. Напруженість електричного поля навколо провідників може бути достатньою для здійснення пробою повітря. Так як енергії електричного поля досить для іонізації кисню (O2), щоб здійснити його переходу в озон (O3), відбувається пробій. Озон є високоактивний елемент, тому він негайно вступає в реакцію з органічними компонентами ізоляції. А домішки кисню в цій системі сприяють руйнуванню ізоляції. Явище коронного заряду відбувається, коли потенціал провідників досягає деякого граничного значення, званого початковим напругою коронного заряду. Початкова напруга коронного заряду залежить від розташування провідників, типу ізоляції, температури, особливостей поверхні і вологості.
Якщо у двигуна немає відповідної ізоляції, він може вийти з ладу раніше терміну. Передбачається, що двигун, керований за допомогою частотного перетворювача, проведений з ізоляцією класу F або вище, а також має фазову ізоляцію.
Суміжні проблеми.
Генерація радіочастотних та електромагнітних завад.
Значення електричного шуму, вироблюваного провідниками на виході перетворювача частоти, також залежить від довжини використовуваного кабелю. Щоб уникнути виникнення перешкод, необхідно екранувати кабель під час активного з'єднання. Якщо здійснити це не виходить, необхідно використовувати фільтруючі пристрої для зниження індуктивних перешкод.
Захисне відключення двигуна.
У деяких ситуаціях можливо створити умови, при яких перетворювач частоти захистить себе від Замикання на Землю (Ground Fault) або від перевантаження по струму (Over Current). Ці аварії відбувається в ситуаціях, коли безліч кабелів прокладають в безпосередній близькості один до одного, без відповідної ізоляції. Використовуючи основні закони фізики, можемо довести, що струм, що протікає по одному дроту, наводить напругу на інший, так само, як і струм протікає по іншому проводу наводить напругу на цей провід. Маючи безліч провідників в безпосередній близькості, можуть виникнути умови, коли нерівні потенціали і струми можуть навести в різних фазах приводу, результатом може стати замикання на землю.
Також відомо, що ємність між фазами і ємність між фазою і землею зростає при збільшенні довжини провідника. Тому можливе виникнення помилки перевантаження по струму протягом часу заряду фазних ємностей і ємностей фази щодо землі.
Якщо види цих захисних відключень зустрічаються досить рідко, то ці ситуації можна обійти, правильно встановивши обладнання. Якщо це вже зроблено, можливо поліпшити ситуацію, застосувавши фільтруючі пристрої.
Рішення.
Зниження довжини провідника.
Для максимально зменшити можливість виникнення надмірного перенапруження на клемах двигуна, необхідно, щоб довжина кабелю, що з'єднує перетворювач з двигуном була менше 45 м. Також хорошим варіантом буде знизити несучу частоту ШІМ перетворювача, що, в свою чергу неодмінно позначиться на шумі двигуна, але знизить число вихідних імпульсів напруги в секунду, збільшивши термін життя двигуна і зменшивши нагрів IGBT-транзисторів.
Спеціальний двигун для частотного регулювання.
Найпростішим і найбільш вигідним рішенням є використання спеціального двигуна для частотного регулювання. Стандарт NEMA Standart MG-1, встановлює, що такі двигуни повинні бути здатні витримати 1600 В імпульсного напруги, тривалістю 0.1 мс або більше, для двигунів класу напруги 600В і менш. Якщо двигун правильно спроектований і відповідає цьому стандарту, то можна розраховувати на безвідмовну роботу протягом тривалого часу при будь-якій довжині кабелю.
Трифазний вихідний реактор (дросель).
Реактор розташований на виході перетворювача, знижує градієнт напруги, що прикладається до обмоток двигуна. Час наростання імпульсу знижується до 1,1 мс, таким чином знижуючи dV / dt до 540В / мс. Це в свою чергу еквівалентно часу перемикання Дарлінгтоновской схеми, використовуваної в минулому, а, отже, дуже ефективно для продовження життя двигуна. Вихідний реактор вирішує приблизно 75% проблем, пов'язаних з передчасним виходом з ладу двигуна, через велику протяжність кабелю. Зазвичай використовуються реактори з 3% і 5% импедансом (вхідним опором). При повному навантаженні приблизно від 3 до 5% вихідної напруги спаде на реакторі. Однак, якщо виникає сумніву щодо розвивається моменту електродвигуном, його необхідно перевірити при максимальній швидкості.
Реактор перед двигуном.
При наявності можливості розмістіть вихідний реактор максимально близько до електродвигуна. Це дозволяє збільшити довжину кабелю до 198 м без впливу на продуктивність двигуна. В цьому випадку реактор може почати зношуватися, але вихід з ладу дроселя займе значно більше часу, ніж двигуна при тих же умовах. Однак це може стати одним з найбільш ефективних і бюджетних рішень, особливо якщо мова йде про електродвигунах з поганою ізоляцією, які найчастіше зустрічаються в заглибних насосах.
Вихідний фільтр для захисту двигуна.
Для забезпечення безвідмовної роботи при довжині до 610м при недостатньому класі ізоляції двигуна, необхідно використовувати спеціально розроблені вихідні фільтри. Ці фільтри розроблені для усунення вищих гармонік, що виникають з - за ШІМ, а також для зниження часу імпульсу до 1,2 мс. Це забезпечує чистий ШІМ- сигнал на клемах двигуна.
метод
рекомендації
Зниження довжини провідника
При можливості зменшіть довжину кабелю <46 м
Спеціальний двигун для частотного регулювання
Можна працювати двигуном при будь-якій довжині кабелю, якщо виконуються заводські вимоги виробника двигуна.
Реактор на виході ПЧ
Можна керувати двигуном на дистанції до 91 м
Реактор на вході двигуна
Можна керувати двигуном на дистанції до 198 м
Вихідний dV / dt - фільтр
Можна керувати двигуном на дистанції 610 м
Чому ж вибирають IGBT-транзистори?
Надзвичайно висока швидкість включення співвідноситься з низькими енерговитратами на перемикання, що дозволяють зменшити габаритні розміри перетворювачів, що відбивається на зниженні вартості продукту.
IGBT-транзистори дозволяють використовувати високу частоту комутацій (несучу частоту ШІМ) перетворювача для передачі напруги на двигун. Значення несучої частоти ШІМ більше 8 кГц значно знижує шум двигуна і забезпечує двигун струмом зі зниженою кількістю вищих гармонік і зменшеною амплітудою кидків струму.
Зменшення впливу вищих гармонік струму знижує паразитное намагнічування статора, яке є джерелом чутного шуму, насичення заліза і втрат в обмотках.
Зниження кидків струму на ключах обумовлює охолодження працюючого двигуна, що в свою чергу позначається на моменті на всьому діапазоні швидкостей.
Додаткові рекомендації по частотним перетворювачів YASKAWA.
Компанією YASKAWA передбачена можливість збільшення довжини кабелю між перетворювачем частоти і двигуном понад 100 метрів. Так як при збільшенні довжини кабелю зростають струми витоку на землю, в керівництві користувача на частотні перетворювачі вказані необхідні зміна несучої частоти ШІМ.
Для перетворювачів частоти YASAKWA V 1000 :
Довжина кабеля
50 м
100 м
більше 100 м
Несуча частота ШІМ
15 кГц або менше
10 кГц або менше
2 кГц або менше
Для перетворювачів частоти YASAKWA A1000 , GA700 :
Довжина кабеля
50 м
100 м
більше 100 м
Несуча частота ШІМ
15 кГц або менше
5 кГц або менше
2 кГц або менше
Для матричного перетворювача YASKAWA U1000 (Забезпечує роботу на великих довжинах кабелів за рахунок іншого принципу ШИМ):
Довжина кабеля
50 м
більше 50 м
-
Несуча частота ШІМ
10 кГц або менше
4 кГц
-
Зверніть увагу, що максимальна довжина кабелю між синхронним (!!!) двигуном і перетворювачами частоти YASKAWA в режимах відкритого вектора OLV / PM (AOLV / PM) не повинна перевищувати 100 м.
Необхідні реактори і фільтри наведені в каталозі аксесуарів для частотних перетворювачів YASKAWA .