Ing. PER BERNA VŠB - U Ostrava, FEI, katedra elektrických strojů a řístrojů, ul. 17. listoadu 15, 78 33 Ostrava Poruba, tel. 69/699 4468, E-Mail: etr.bernat@vsb.cz DIAGNOSICKÁ MĚŘENÍ V SOUSAVĚ MĚNIČ - MOOR Úvod: Nástu regulovaných ohonů s asynchronními motory naájenými z měničů frekvence řináší kromě nesorných výhod také řadu roblémů, které se u klasických ohonů nevyskytovaly. Pomineme-li roblémy ři vlastním rovozu takového ohonu, zůstane nám celá oblast vývoje a zkoušení takto konciovaného ohonu. Při ožadavku měřit běžné elektrické veličiny (naětí, roudy a výkony) i některé veličiny neelektrické (otelení a mechanické momenty) zjistíme, že omocí běžně oužívaných měřicích řístrojů nedokážeme naměřit reálné hodnoty. Měřicí systém těchto řístrojů stavěný na harmonický růběh měřených veličin si s imulsním růběhem veličin v soustavě naájení motoru z měniče a naájení měniče ze sítě nedokáže oradit. Výsledkem je řídavná chyba měření, která i u řístrojů s třídou řesnosti,5 a vyšší dosahuje dle charakteru růběhu běžně řádu několika desítek rocent. Vysoká řeětí, která se vyskytují ředevším na výstuní straně měniče ak rakticky vylučují oužití běžných měřicích sond z důvodu dalšího zkreslení signálu, nebo nebezečí jejich oškození. Neharmonický růběh obvodových veličin, ředevším mezi vlastním měničem a motorem, ale také na síťové straně měniče, řináší kromě nežádoucího vysokofrekvenčního vyzařování také nové roblémy, které se týkají ředevším nesrávné funkce ochran a vzájemného ovlivňování ohonů. V řísěvku je osán jeden ze zůsobů měření výkonu a jeden z konkrétních roblémů s nesrávnou funkcí ochran. Měření výkonů: V raxi se u ohonů setkáváme s ožadavky na měření obvodových veličin ro účely funkční diagnostiky jednotlivých částí ohonu. Pro otřeby určování účinnosti jednotlivých komonentů ohonu tj. v raxi rozložení ztrát mezi měnič, motor, výstuní tlumivky měniče a kabel jsme často ostaveni řed nutnost řesného měření výkonu v jednotlivých bodech soustavy motor - měnič. Mechanický výkon na výstuu motoru lze určit omocí dynamometru, měření ostatních výkonů je komlikováno výše uvedenými důvody. Vyloučíme-li kalorimetrickou metodu určování ztrát, která je jistě nejřesnější ale z raktických důvodů téměř neroveditelná, zbývá nalézt vhodný řístroj nebo metodu ro měření elektrických veličin. Relativně nejřesnější se ukázalo měření roudu a naětí omocí řístrojů s teelným systémem (termokřížem). Jejich značnou nevýhodou je vedle nedostunosti ředevším minimální řetížitelnost a nemožnost odlišit činný výkon. Proto jsme ro měření oužili metodu měření okamžitých výkonů [1], []. Metoda využívá korektní výkonové teorie [1], vytvořené ro výzkum jevů v reálných elektrických obvodech s neharmonickými růběhy obvodových veličin, tyicky tedy i ro náš říad. Princi metody je ve stručnosti založen na měření okamžitých hodnot (vzorkování) základních obvodových veličin tj. roudu a naětí. Z těchto veličin ak získáme výočtem veličiny odvozené, v našem říadě tedy růběhy a velikosti jednotlivých výkonů. Metoda je určena jak ro lineární, tak i ro nelineární obvody.
Metoda okamžitých výkonů je odvozena ze zákona o zachování energie a Kirchhoffových zákonů. Z naměřených okamžitých hodnot eriodických růběhů roudu a naětí v říslušném obvodu lze získat výočtem jednak okamžitý výkon, jednak růběh činného a jalového výkonu, vlastní hodnoty výkonů jsou ak definována jako růměry za dobu jedné eriody. Činný výkon je aritmetický růměr ze součinu okamžitých hodnot naětí a roudu, zdánlivý výkon je geometrický růměr z aritmetického růměru druhé mocniny okamžitých hodnot naětí a aritmetického růměru druhé mocniny okamžitých hodnot roudu. Naíšeme-li vztahy ro výočet okamžitých veličin x(t), získáme rovnici ro okamžitý činný výkon: u () t () t = u() t i () t = = u () t i() t = Ri () t (1) R indexy značí v tomto říadě činný výkon. Činný okamžitý výkon nabývá v kterémkoliv čase nezáorných hodnot () t. Střední hodnota okamžitého činného výkonu (jeho růběhu za dobu jedné eriody se rovná rávě velikosti činného výkonu: 1 R t dt () = i () t dt RI P = = () Okamžitý jalový výkon ak můžeme určit dle rovnice: Q() t = () t P() t (3) kde index Q označuje jalový okamžitý výkon. Střední hodnota okamžitého jalového výkonu je rovna nule: 1 1 [ ] 1 1 t dt Q() = t t dt tdt t dt () () = () () = (4) Z rovnice 1 ak vylývá, že ři nenulových okamžitých hodnotách eriodického růběhu naětí a roudu v říslušném obvodu má okamžitý činný výkon ulzující růběh, střední hodnota tedy nabývá kladných hodnot, okamžitý jalový výkon má střídavý růběh, střední hodnota jalového výkonu za eriodu je roto rovna nule. S oužitím výše uvedených vztahů jsme na našem racovišti rováděli měření výkonů na ohonu s frekvenčním měničem. Srovnávali jsme ři měření výsledné hodnoty výkonu s údaji měřicích řístrojů a s údajem o výkonu motoru na měniči a dynamometru. K měření jsme oužili roudová LEM čidla v silovém obvodu, naětí jsme snímali omocí diferenciální naěťové sondy. Okamžité hodnoty jsou vzorkovány A/D řevodníkem a následně zracovány omocí rogramu na PC. Dále je uveden říklad určení výkonů na straně naájení měniče ze sítě.
Obr. 1. Průběh obvodových veličin na straně naájení měniče ze sítě (v jedné fázi) Z měniče frekvence je naájen asynchronní čtyřólový motor, výkon na hřídeli je měřen omocí dynamometru. Z růběhu roudu je dobře atrný imulsní růběh, daný konstrukcí vstuní části měniče (šestiulsní diodový usměrňovač nabíjející kondenzátor naěťového meziobvodu). Obr.. Průběh okamžitého výkonu. Průběh okamžitého výkonu je získán výočtem součinů okamžitých hodnot roudu a naětí, v raxi tedy rovedením součinů odovídajících vzorků obou veličin v daném časovém okamžiku. Na obr.. je tento součin zobrazen tečkovanou čarou. Dle výše uvedených vztahů lze z tohoto růběhu dále získat efektivní hodnotu činného výkonu jako střední hodnotu (růměr) okamžitých hodnot za dobu jedné eriody eriodického růběhu, v našem říadě za ms (jedná se o růběh naětí a roudu na straně naájení měniče ze sítě). Výsledné hodnoty jsou shrnuty v následující tabulce: Zůsob měření výkonu: údaj Wattmetru výkon měřený dynamometrem na hřídeli motoru údaj o výkonu motoru na disleji měniče činný výkon omocí okamžitého výkonu naměřená hodnota: 686W 3943W 37 až 384 W 48W Příkon řídících obvodů měniče a ventilátoru byl naměřen ve velikosti 14W, srovnáme-li tedy výše uvedené údaje vidíme, že nejblíže skutečné, dynamometrem naměřené hodnotě činného výkonu je rávě výkon určený měřením okamžitých hodnot obvodových veličin. Údaj o výkonu motoru měniče na jeho disleji je ro odečet říliš hrubý (zobrazuje se v rocentech jmenovitého výkonu měniče, kolísání údaje je zachyceno jako ásmo možných výkonů). Nejdále od reálné hodnoty výkonu je ak údaj naměřený klasickými Wattmetry. Výhody oužití metody měření okamžitých výkonů jsou z výše uvedeného srovnání dostatečně atrné. Na straně výstuu z měniče ak tato metoda ředstavuje jediný reálný zůsob určení velikostí výkonů, měření je však již náročnější na měřicí řístroje (čidlo roudu a naětí s galvanickým oddělením) a zůsob zracování (ro dosažení reálných výsledků by vzorkovací frekvence ro věrné zachycení růběhu veličin měla být alesoň desateronásobkem sínací frekvence, tedy min 1kHz). V říadě nutnosti měření ve všech bodech ohonu je toto řešení oužitelné i za cenu oužití náročnějšího řístrojového vybavení.
Ovlivnění funkce nadroudových ochran: Prakticky velmi neříjemný je vliv nesinusových roudů na funkci nadroudových ochran u běžně oužívaných jističů. Průběh fázového roudu je dále ovlivněn kaacitou vedení mezi motorem a měničem. Kaacita vedení zůsobuje další růchod roudových ulsů, které se řidávají k zatěžovacímu roudu motoru. Ochrany motorů ak vyínají mnohem dříve než odovídá nastavené hodnotě ři sinusovém naájení. Velmi zajímavě se choval ohon elektrárenského agregátu, u něhož bylo 1 asynchronních motorů o výkonu, kw naájeno z jednoho frekvenčního měniče. Délka vedení mezi měničem a každým motorem byla 1 m. Každý kabelový řívod k motoru byl jištěn klasickou nadroudovou ochranou s bimetalem. Ochrana byla nastavena na jmenovitý roud motoru. ento ohon nebylo možno uvést do rovozu, neboť okamžitě o zanutí zaůsobily nadroudové ochrany všech 1 motorů. Pro odstranění této závady byla do řívodu každého motoru zabudována tlumivka a tím byl celý roblém zdánlivě vyřešen. Pro rošetření říčin uvedených otíží jsme amérmetrem s teelným členem změřili roud jedné fáze s tlumivkou a bez tlumivky, v obou říadech byl roud od jmenovitou hodnotou vyínacího roudu ochrany a nebyl tedy žádný důvod ro její ůsobení. Průběh roudu bez tlumivky a ři zařazení tlumivky je na obr. 3. Na obrázku jsou atrné značné rušivé ulsy zůsobené sínací frekvencí měniče. Jejich maximální hodnota řesahovala 17 A, zatímco hodnota RMS byla 3,6 A. Při zařazení tlumivky byly maximální šičky něco řes 4 A a RMS,55 A. Obr. 3. Průběh roudu do motoru řed a o zařazení tlumivek na výstu měniče Z naměřených efektivních hodnot roudu se dá jednoznačně konstatovat, že ři činnosti ohonů bez tlumivek nejsou žádné důvody ro vyínání jističů, neboť efektivní hodnota roudu motoru je hluboko od jmenovitou hodnotou. Motor tedy v tomto říadě nemohl být roudově řetěžován. Důvodem vybavování jističů je jejich nevhodnost ro oužití ři naájení nesinusovým roudem a zvláště roudem v němž jsou v okolí měničů nasueronovány rušivé šičky od sínací frekvence. Vlivem vířivých roudů, které se indukují v teelném čidlu, dochází k falešnému ůsobení ochran. Na uvedených ohonech elektrárenského agregátu byla vyzkoušena elektronická ochrana 193-EA1FB. ato ochrana nevybavovala, a to ani ři činnosti ohonu bez tlumivky. Pro srovnání byly měřeny v laboratoři vyínací charakteristiky obou ochran ři naájení sinusovým roudem ze sítě i nesinusovým roudem z měniče. U běžné ochrany s bimetalem byla zjištěna značná citlivost na rušivé šičky ři nesinusovém naájení. Ochrana ak vyínala již ři méně než olovině jmenovitého roudu.
Z výše uvedeného je atrné, že u střídavých regulačních ohonů naájených z měničů frekvence, by ro jištění měly být oužívány elektronické ochrany, které nejsou citlivé na rušivé ulsy zůsobené měniči. o latí zvláště tam, kde je soustředěno více měničů. Literatura: [1] Kijonka, J.: Okamžité výkony v soustavě trojfázového naěťového střídače. Habilitační ráce, VŠB Ostrava 1991 [] Kijonka, J., Bednár, I.:Exerimentální ověření teorie okamžitých výkonů. Sborník řednášek - Mezinárodní vědecká konference, sekce 1, Ostrava 1. - 14. Září 1995 [3] Bednár, I., Orság, P.: Měřicí systém ro diagnostiku okamžitých výkonů a vibrací. Sborník řednášek - Mezinárodní vědecká konference, sekce 1, Ostrava 1. - 14. Září 1995 [4] Chmelík, K., Čech, V., Bernat, P.: Namáhání asynchronních motorů ři naájení ze statických měničů. Závěrečná zráva ke grantu reg. č.: 1/96/815