Opravné prostředky na výstupu měniče kmitočtu (LU) - Vyšetřování vlivu filtru na výstupu z měniče kmitočtu 1. Rozbor možných opravných prostředků na výstupu z napěťového střídače vč. příkladů zapojení 2. Změřte průběhy napětí a proudu na svorkách asynchronního motoru bez použití a při použití konkrétních filtrů od firmy Siemens: du/dt a sinusového filtru 3. Proveďte vyhodnocení a srovnání s odsimulovanými průběhy Ad1) Daná problematika je poměrně široká viz seznam použité literatury. Zde se omezíme pouze na v praxi nejpoužívanější filtry du/dt filtry Základním požadavkem na du/dt filtry je snížení strmosti napětí jdoucího ze střídače na motor. Obvykle požadovaná strmost napětí je pod 500V/µs. Další příznivou vlastností du/dt filtrů je omezení přepěťových špiček na motoru, čímž se snižuje namáhání vinutí motoru a zvyšuje tak jeho životnost. Při napájení ze sítě 400VAC nepřesahují špičky 1000VAC. Použití du/dt filtrů je vhodné zejména: - v aplikacích se starými motory, které nebyly navrženy pro provoz s frekvenčním měničem - v aplikacích s krátkými kabely (méně než 15m) - v aplikacích s rekuperačním brzděním Obrázek 1. Příklady zapojení du/dt filtrů 1
Sinusové filtry Sinusový filtr je nejúčinnějším odrušovacím prostředkem na výstupu ze střídače. Napětí na výstupu sinusového filtru je téměř sinusové, výstupní proud rovněž. Tímto se snižují ztráty motoru související s napěťovými špičkami vznikajícími při napájení ze střídače bez výstupní filtrace. Sinusový filtr výrazně omezuje elektromagnetické rušení. Snižuje akustický hluk motoru související se spínací frekvencí. V aplikacích s dlouhými kabely omezuje ztráty na polovodičových prvcích. Redukuje ložiskové proudy. Obrázek 2. Základní zapojení sinusového filtru Nevýhodou sinusového filtru jsou ztráty, které mohou dosahovat až 10 % a také jeho cena, která může dosahovat až 30% ceny souvisejícího frekvenčního měniče. Ad 2 a 3) Ověření vlastností bylo provedeno srovnáním výsledků simulace s měřením na konkrétním motoru. Měření bylo provedeno na pracovišti instalovaném na VŠB, Fakulta elektrotechniky a informatiky, katedra Elektroniky. Pracoviště je sestaveno z frekvenčního měniče Siemens Simovert VC, k jeho výstupu se volbou stykačových kombinací připíná: a) motor bez filtru b) motor přes du/dt filtr (Siemens) c) motor přes sinusový filtr (Siemens) Asynchronní motor (Siemens 4AP132M-4) je zatěžován stejnosměrným motorem s možností regulace velikosti zátěžného momentu. Při experimentálním měření se zatížení blížilo jmenovitému. Měření bylo provedeno pomocí osciloskopu LeCroy wave runner 6050. 2
Motor bez filtru Obrázek 3. Simulace průběhu fázového napětí na svorkách motoru bez filtru [A] [V] [s] Obrázek 4. Experimentálně změřené průběhy napětí a proudu na svorkách motoru bez filtru (C1 200V/div, F2 5A/div), f 50Hz, fs 2,5 khz 3
du/dt filtr Obrázek 5. Zapojení filtru du/dt Siemens du/dt filtr Siemens 15,1A 136% OL for 1min 3kHz třída C 1PSE7021-5FB87-1FD0 Tlumivka 4EU2431-4UA00 Siemens Ln 1400 µh ± 10% (ve skutečnosti byla naměřená hodnota indukčnosti při 100Hz 930, při 1kHz 830) In 17,5 A Un 500 575 V T 40/H Up 2,7 kv Kondenzátor WIMA MKP4 10 µf / 250V Odpor M2 G206 18kΩ 10% 4
Obrázek 6. Simulace průběhů napětí a proudu na svorkách motoru s du/dt filtrem Siemens [A] [V] [s] Obrázek 7. Experimentálně změřené průběhy napětí a proudu na svorkách motoru s du/dt filtrem Siemens (C1 200V/div, F2 5A/div) 5
Sinusový filtr Obrázek 8. Zapojení sinusového filtru sinusový filtr 17,5A, 6kHz, třída B 1P6SE7021-8EB87-1FCO Tlumivka 4EA9900-2UA Siemens Ln 1029 µh T40/B In 17,5A Un 380 460V, Up 2,1kV Kondenzátor B25834-U7155-K011 MKV 1,5 µf ± 10% SH Un 1000V AC U RMS 710V AC Odpor drátový rezistor 6R8 6
Obrázek 9. Simulace průběhů napětí a proudu na svorkách motoru se sinusovým filtrem Siemens [A] [V] [s] Obrázek 101. Experimentálně změřené průběhy napětí a proudu na svorkách motoru se sinusovým filtrem Siemens (C1 200V/div, F2 5A/div) 7
Seznam použité literatury [1] Kopecký P.: Modelování a simulace vlivu filtru na výstupu z měniče kmitočtu. Diplomová práce 2007/2008. VŠB-TU Ostrava. [2] Doc.Ing. Jaroslav Novák, CSc.: Frekvenčně řízené elektrické pohony a jejich elektromagnetická kompatibilita. Časopis ELEKTRO, roč.2005, č. 7, s. -9, Praha 2005. ISSN 1210-0889. [3] Doc.Ing. Václav Kůs, CSc.: Nízkofrekvenční rušení, 1. vyd. Západočeská univerzita v Plzni 2003, ISBN 80-7082-976-1 Porovnání obou modelů Porovnání je provedeno pro reálný motor Siemens 4AP132M-4 Štítkové údaje (při napájecím napětí 380V a 100% zatížení) výkon 7,5kW proud 15,2A cosφ 0,86 účinnost 87% otáčky 1450 ot/min 1.1.1. Parametry pro model popsaný pomocí diferenciálních rovnic Parametry motoru byly zjištěny pomocí programu WINDSYN, do kterého se zadávají štítkové údaje. Veškeré hodnoty jsou přepočítány na stator, pro moment setrvačnosti 2 J c 0,0338 kg. m. Moment setrvačnosti: Moment zátěže: Odpor statoru: Odpor rotoru přepočtený na stator: Vzájemná indukce: Rozptylová indukčnost statoru (bez saturace) Rozptylová indukčnost rotoru přepočtená na stator (bez saturace) J c 0,0338 kg. m M Z 46, 71 R S 1, 178 Ω R 0, 707 Ω R L m 0, 0859 Nm H Lσ S 0, 00247 L R 00247 0, σ H H 2 8
1.1.2. Parametry pro model setrvačného členu Výpočet impedance vinutí fáze : U S 380 U f 220 V 3 3 Z f U f 220 14, 47 Ω I 15,2 N Výpočet náhradních veličin celkového odporu a indukčnosti motoru : - náhradní odpor R Z. cosϕ 14,47.0,86 12, 45 Ω - náhradní reaktance X L Z. sinϕ 14,47.0,51 7, 38 Ω - náhradní indukčnost L X X L ω 2. π. f 7,38 2. π.50 L 23, 5 mh - přenos setrvačného členu F I U ( p) ( p) K 1+ pt 1 1 R 12,45 L 1+ p 23,5.10 1+ p R 12,45 ( p) 3 9
Výpočet momentu motoru a časových konstant: P 7500 W n 1450 ot.min 1 Ω N π n 60 π 60 2. 2.1450 1 151,8 rad. s M P Ω N 7500 49,39Nm 1450 π / 30 - elektrická časová konstanta Latot 23,5 Ta 1, 89 ms R 12,45 atot - mechanická časová konstanta Ω ΩN 157,079 151,8 Tm J 0 tot 0,0338. 3 ms M 49,39 N Motor bez filtru Model je reprezentován programem v m-file souboru Matlabu. Do bloku střídače vstupují následující hodnoty: řídící napětí U ař, U bř, U cř - 10V s posunem o 120, f50hz pilové napětí U p ±10V s frekvencí dle simulovaného obvodu (3000 Hz) napětí stejnosměrného meziobvodu U d 566V 10
Obrázek 11. Simulace průběhů napětí a proudu na svorkách motoru bez filtru [A] [V] [s] Obrázek 12. Experimentálně změřené průběhy napětí a proudu na svorkách motoru bez filtru (C1 200V/div, F2 5A/div), f 50Hz, fs 2,5 khz 11
Rozšíření: Výstupní napětí má frekvenci 3 khz a vysoký napěťový rozkmit. Je to největší zdroj rušení ve frekvenčním měniči. Vlivem indukčnosti motoru je proud do motoru prakticky sinusový. Pro použití s krátkým kabelem k motoru se obvykle normálně spojí výstup frekvenčního měniče s motorem. Je-li kabel k motoru veden v rozváděči v blízkosti nebo v souběhu nějakých datových, měřících linek, nebo analogových signálů, může dojít vlivem vzájemné vazby k přenosu rušení do těchto datových linek. Doporučuje se použití stíněného kabelu mezi měnič a motor. Pro delší kabely mezi měničem a motorem - obvykle nad 20-50 m, je však kapacita mezi žilami kabelu i kapacita vodičů proti stínění již poměrně velká a při spínání jednotlivých tranzistorů (2-16 khz) již způsobuje poměrně velké nárazové proudy, které dosti zatěžují tranzistory frekvenčního měniče. Na omezení všech těchto jevů se doporučuje použití: 1. Motorových tlumivek 2. Filtrů du/dt 3. Sinusových filtrů Obrázek 13. U filtru du/dt a u sinusových filtrů jsou použity kapacity 1. Motorová tlumivka Je poměrně značně používána pro dobrou účinnost, prakticky všichni výrobci měničů ji doporučují pro delší kabely k motoru. Filtrací výstupního proudu působí velmi blahodárně na snížení vyzařování z kabelu k motoru (například rušení do akustiky). Motorová tlumivka chrání izolaci motoru filtrací špiček napětí. Při velmi dlouhých kabelech k motoru - asi od 100 m - může však dojít k nežádoucí rezonanci indukčnosti tlumivky s kapacitou kabelu a motorová tlumivka se může přetížit - přehřát. 2. Filtr du/dt Je prakticky totéž co motorová tlumivka, snižuje du/dt na motoru a chrání izolaci motoru. Příliš se nepoužívá. 3. Sinusový filtr Nejvhodnější řešení pro dlouhé kabely k motoru. Kapacita kabelu zde nehraje žádnou roli, zajišťuje prakticky sinusové napětí na výstupu k motoru, snižuje akustický hluk motoru. Velkému rozšíření brání zatím jeho cena, indukčnosti používají drahé materiály. Zdroj: [1] Frekvenční měniče EMC a použití příslušenství [online]. URL: < http://www.tzb-info.cz/t.py?t2&i2953&h4&th56 >. 12