|
Nowa koncepcja sinusoidalnych filtrów wyjściowych SinusPlus |
| Nowa koncepcja sinusoidalnych filtrów wyjściowych sinusplus |
 | |
| Marcin Jurga | | | | Każdy współczesny układ napędowy wyposażony jest w falownik tranzystorowy PWM. Powszechnie wiadomo, że tego typu falowniki emitują szerokie spektrum zaburzeń do sieci zasilającej. Obowiązujące normy określają dopuszczalne poziomy emisji zaburzeń w środowiskach domowych i przemysłowych, i aby je spełnić powszechnie stosuje się filtry wejściowe. Zgodność z obowiązującymi normami nie zapewnia jednak niezawodnej i długotrwałej pracy układu napędowego. |
| | | | Istnieje szereg zjawisk na wyjściu falownika (między falownikiem a silnikiem), które nie są bezpośrednio przedmiotem obowiązujących norm, a które mają ogromy wpływ na niezawodność. Do tych zjawisk należą: |
- Przy krótkich przewodach silnikowych występują duże stromości narastania du/dt impulsów napięcia wyjściowego, które są związane z wysoką częstotliwością przełączania tranzystorów IGBT. Duże du/dt powodują punkowe uszkodzenie izolacji uzwojeń silnika (tzw. gorące punkty).
- Przy zasilaniu silnika długimi przewodami, stromości du/dt są mniejsze, ale pojawiają się przepięcia na silniku, które mogą osiągać amplitudy rzędu 1,6kV. Takie przepięcia niszczą izolację uzwojeń silnika.
- Tętnienia prądu oraz wyższe harmoniczne w prądzie silnika powodują dodatkowe straty magnetyczne. Żywotność silnika skraca się z powodu stałego wzrostu temperatury jego pracy.
- Do konieczności stosowania przewodów ekranowanych na wyjściu falownika nie trzeba dzisiaj nikogo przekonywać. Podłączenie ekranu na całym obwodzie za pomocą obejm z obydwóch stron przewodu zapewnia niską impedancję RF i skuteczne ekranowanie. Prądy spływające ekranem zależą od wartości du/dt oraz pojemności pasożytniczych przewodu (I=C*du/dt). W przewodach o długości około 100m wartości szczytowe impulsów prądu rzędu 20A i więcej nie są czymś niezwykłym i nie zależą od mocy układu napędowego, tylko od układu geometrycznego. Prądy te muszą być oczywiście pokryte przez falownik. Przy falownikach małej mocy o długich przewodach silnikowych często się zdarza, że konieczne jest zastosowanie wyższego modelu w typoszeregu falowników.
- Prądy łożyskowe są dość skomplikowanym problemem, który najczęściej jest pomijany. Prądy płynące przez łożyska wysuszają smar i powodują mikrouszkodzenia na powierzchni kulek. Nieprawidłowe ekranowanie i uziemienie w skrajnych przypadkach może skrócić żywotność łożysk do zaledwie kilku minut!
- W porównaniu z poprzednimi zjawiskami problem pisków i świstów silnika w układzie napędowym spowodowany przełączaniem napięć z częstotliwością akustyczną wydaje się mało ważny. Jednakże w aplikacjach związanych z ogrzewnictwem, wentylacją i klimatyzacją, gdzie dźwięki akustyczne łatwo przenoszą się przez dukty powietrzne, nabiera on zupełnie innej wagi.
|
| | | Zastosowanie standardowego filtru sinusoidalnego (rys. 1) tłumiącego zaburzenia symetryczne (przykładowo seria FN5010 lub FN5020 firmy Schaffner) znakomicie rozwiązuje część wyżej opisanych problemów, co w większości aplikacji jest wystarczające. Eliminowane są problemy z przepięciami i wysokim du/dt, zjawiska akustyczne, zmniejszone są tętnienia prądu (rys. 2). Jednak nadal istnieje konieczność stosowania ekranowanych przewodów, przez łożyska i ekran nadal płyną prądy. |
| |
|
Rys. 1) Schemat układu napędowego z symetrycznym filtrem sinusoidalnym na wyjściu falownika |
| |
|
Rys. 2) Przebiegi prądu i napięcia za falownikiem (po lewej)
i za filtrem sinusoidalnym na silniku (po prawej) |
| |
| Schaffner poszedł jednak dalej opracowując i wprowadzając na rynek innowacyjną koncepcję filtrów SinusPlus tłumiących zarówno zaburzenia symetryczne, jak i asymetryczne. Skonstruował dodatkowy moduł FN5030, który w połączeniu ze standardowym filtrem FN5010 lub FN5020 pozwala praktycznie całkowicie wyeliminować wszystkie wyżej opisane niekorzystne zjawiska znacznie zwiększając niezawodność układu (rys. 3). |
| |
|
Rys. 3) Schemat układu napędowego z symetrycznym i asymetrycznym filtrem sinusoidalnym na wyjściu falownika. Innowacyjna koncepcja (SinusPlus). |
| |
| Zalety stosowania koncepcji SinusPlus (filtry FN5010+FN5030 lub FN5020+FN5030) są imponujące: |
- Całkowita redukcja prądów łożyskowych.
- Możliwość stosowania nieekranowanych przewodów bez wpływu na odporność systemu.
- Brak ograniczeń co do długości przewodów silnikowych.
- Prawie całkowita redukcja prądów impulsowych do ziemi.
- Brak negatywnego wpływu zaburzeń na otaczający sprzęt i okablowanie.
- Eliminacja dodatkowych strat w przetwornicy częstotliwości.
- Zmniejszenie wymagań co do ochrony przed emisją zaburzeń po stronie wejściowej.
|
| |
| SinusPlus znajduje zastosowanie przede wszystkim przy modernizacjach. Gdy istnieje konieczność wyposażenia istniejącej instalacji w falownik, najczęstszym problemem jest nieprzystosowany silnik i przewody do zasilania z PWM. Często ze względu na ich umiejscowienie nie ma możliwości ich wymiany lub jest to bardzo trudne (np. podziemne systemy pomp). Filtr SinusPlus umożliwia pracę falownika z istniejącym silnikiem i nieekranowanymi przewodami. Również w przemyśle chemicznym często używanie ekranowanych przewodów jest wykluczone z powodów bezpieczeństwa. W takich wypadkach dzięki SinusPlus możliwa jest praca bez konieczności ingerencji w środowisko pracy. Ponadto w aplikacjach dźwigowych wymagane są przewody o bardzo dużej elastyczności, co wiąże się z gorszym ich ekranowaniem. Stosując filtr SinusPlus możemy sprostać tym wymaganiom używając dowolnych przewodów o dużej elastyczności. Prowadzenie setek metrów ekranowanego przewodu do silnika jest droższe niż zakup filtru SinusPlus i prowadzenie zwykłych przewodów nieekranowanych. |
| |
| Firma ASTAT jest autoryzowanym partnerem koncernu Schaffner w Polsce. Prowadzimy doradztwo, szkolenia, serwis i sprzedaż filtrów i dławików sieciowych oraz przyrządów pomiarowych. |
|
| |
|
PRASA 
