Frekvenční měniče - EMC a použití příslušenství

Dnes se používají frekvenční měniče i jako náhrady mechanických převodovek; pomocí frekvenčních měničů s vektorovým řízením ať s tachogenerátorem, nebo bez něj, se dosahuje vynikajících vlastností pohonů - přesnosti otáček i dynamiky.

V článku se zaměříme na elektrické vlastnosti frekvenčního měniče, které nás zajímají z hlediska použití, EMC - elektromagnetické kompatibility, použití odrušovacích filtrů, síťových a motorových tlumivek, sinusových filtrů. Zapojení typického frekvenčního měniče je na obr. 1 pro vstupní napětí 3 × 400 V, standardní motor je zapojen do hvězdy - opět 3 × 400 V.

Obr. 1

Pro frekvenční měniče do výkonu obvykle 2,2 kW (maximálně 4 kW) se používají zapojení s napájením jednofázovým 1 × 230 V, standardní motor je zapojen do trojúhelníku - 3 × 230 V.

Cena tohoto měniče zatím vycházela poněkud nižší, chování motoru je shodné, nevýhodou jsou vyšší proudy ze sítě, další nevýhodou je zatížení N (u pracovních strojů se nedoporučuje). Někdy je to zase výhoda, když je k dispozici pouze jednofázové napájení 1 × 230 V a je třeba použít asynchronní motor. Zapojení samotného měniče je podobné, na vstupu jsou pouze svorky L1 a N1. Dále se budeme zabývat frekvenčním měničem se vstupem 3 × 400 V (rozdíly pro měniče s napájením 1 × 230 V jsou nepodstatné).

Obr. 2

1. Vstupní - síťové svorky - vyšší harmonické

Vstup frekvenčního měniče je zapojen jako diodový usměrňovač, který má na výstupu filtrační kondenzátor. Tento usměrňovač odebírá ze sítě nesinusový proud podle obr. 2. Proud totiž teče pouze tehdy, pokud je napětí v síti vyšší než napětí na filtračním kondenzátoru. Tento proud obsahuje poměrně vysoký obsah vyšších harmonických, které frekvenční měnič odebírá ze sítě. Zkreslení proudu vyššími harmonickými (THD) dosahuje 140 % (zejména 5., 7., 11., 13. harmonická). Použitím takzvané síťové tlumivky dojde k filtraci proudu - viz obr. 3. Výsledkem použití síťové tlumivky je snížení zkreslení proudu THD na přibližně 40 %, dále efektivní hodnota síťového proudu poklesne až o 35 %, tedy zhruba o 1/3, což je velmi příjemné.

Obr. 3

Zajímavostí těchto vyšších harmonických je, například u jednofázových frekvenčních měničů, fakt, že použijeme-li tři jednofázové měniče stejného výkonu, zapojíme-li je každý na jinou fázi a nejsou-li vůbec použity síťové tlumivky, nulovým vodičem protéká poměrně velký proud - vyšší harmonické se neodečtou. Tento problém je stejný i u jiných zařízení - zdroje PC, úsporné žárovky. V budovách, kde převládá takovýto odběr (usměrňovač pracující do kondenzátoru), může být problém s dimenzováním středního vodiče N - teče jím vyšší proud než fázovými vodiči.

Další příznivý vliv této síťové tlumivky je omezení vlivu krátkých napěťových špiček na měnič. Je experimentálně dokázáno, že použití této síťové tlumivky má i velmi příznivý vliv proti poškození frekvenčního měniče vlivem vysokonapěťových špiček z napájecí sítě. Důvodem je zařazení vyšší impedance mezi síť s rušivými špičkami a vstupní usměrňovač.

2. Výstupní svorky - spojení frekvenčního měniče s motorem

Podíváme se nyní, jak funguje frekvenční měnič, kde vzniká ve frekvenčním měniči rušení a jak se projevuje na výstupních a vstupních svorkách. Průběh napětí na výstupu frekvenčního měniče je na obr. 4. Je vidět, že výstupní napětí má frekvenci PŠM 2-16 kHz a napěťový rozkmit 560 V. Je to největší zdroj rušení ve frekvenčním měniči. Napětí na výstupu se přímo dostává na asynchronní motor, vlivem indukčnosti motoru je proud do motoru prakticky sinusový.

Obr. 4

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. Pro minimalizaci této vazby je nutno kabel k motoru co nejvíc oddálit od těchto citlivých spojů, případně minimalizovat vliv křížením kolmo vedoucích vodičů. V zásadě se doporučuje 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 (podle účinnosti)

1. výstupního magnetického toroidu,
2. motorových tlumivek,
3. filtrů dU/dt,
4. sinusových filtrů.

Obr. 5

Zapojení je na obr. 5, kapacity jsou použity u filtru dU/dt (malé kapacity) a u sinusových filtrů (1 μF a více).

1. Výstupní toroid používají některé firmy, jeden až dva průvlaky výstupního kabelu magnetickým toroidem, vzhledem k poměrně malé indukčnosti, má prakticky význam ke zmírnění případného rušení do datových linek a účinnost zhruba od 1-5 MHz.
   
   
2. Motorová tlumivka je poměrně značně používána pro dobrou účinnost, prakticky všichni výrobci měničů ji doporučují pro delší kabely k motoru. Její indukčnost se volí zhruba poloviční oproti síťové tlumivce, tedy 2% úbytek pro jmenovitý proud. 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.
   
   
3. Filtr dU/dt je prakticky totéž co motorová tlumivka, snižuje dU/dt na motoru a chrání izolaci motoru. Příliš se nepoužívá.
   
   
4. 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, proudy jsou zde s kmitočtem PŠM měniče 2-16 kHz.

Pro ilustraci je výstupní napětí (za filtrem) na obr. 6.

Obr. 6

3. Vstupní - síťové svorky - rušení vysokofrekvenční

Použití frekvenčních měničů přináší nutnost splňovat normy pro vyzařování (emise) v pásmu 150 kHz až 30 MHz - vyzařování svorkami napájení.

Usměrňovač - rušení vzniká pouze otevíráním a zavíráním vstupních diod. Rušení závisí zejména na použitých diodách a proudu a je poměrně malé. Dostane se však na vstupní svorky z výstupu, a to tak, že spínáním IGBT tranzistorů střídače dochází k poklesům a nárůstům napětí na filtračním kondenzátoru (impulzy s frekvencí 4-32 kHz a výše), tyto změny jsou velmi rychlé a vlivem nedokonalosti filtračních kapacit - mají sériový odpor i vlastní indukčnost - se na tomto kondenzátoru a jeho přívodech objevují napětí řádu voltů s kmitočty řádově do 20-30 MHz. Toto napětí se již snadno dostává přes kapacity usměrňovacích diod i přes otevřené diody usměrňovače na síťové svorky.

Zde nejen platí norma o nežádoucím vyzařování (rušení rádiového příjmu), ale rušení ze síťových svorek může opět nežádoucím způsobem ovlivnit různé datové linky nebo citlivá čidla. Proto je třeba používat síťové odrušovací filtry. Některé měniče je dnes již mají zabudovány pro použití v průmyslových prostředích, většina frekvenčních měničů je dosud z cenových důvodů neobsahuje.

Rušení v pásmu 150 kHz až 30 MHz se měří selektivním voltmetrem podle norem ČSN EN 61000-6-3 a ČSN EN 61000-6-4, povolené meze jsou různé, podle prostředí použití.

Prostředí lze rozdělit na průmyslová prostředí a prostředí obytná, obchodní a prostory lehkého průmyslu.

Rozdělení závisí zejména na připojení na veřejnou rozvodnou síť, kde průmyslová prostředí mají vlastní VN transformátor a na jeho NN stranu nejsou přímo napojeny obytné prostory. Je třeba zdůraznit, že povolené meze rušení pro prostředí obytná jsou mnohem přísnější a tím i odrušení vychází dražší než odrušení pro prostředí průmyslová.

Pro prostředí obytná, obchodní a prostory lehkého průmyslu se obvykle musí vždy použít externí odrušovací filtr, případně dvojitý odrušovací filtr.

Obr. 7 - Použití odrušovacího filtru pro třífázový měnič

Některé firmy dodávají měniče a odrušovací filtry, které se montují pod tyto měniče. Výhodou je úspora místa v rozváděči. Při použití odrušovacích filtrů se nesmí zapomínat na takzvaný unikající proud; je to proud, který teče do kostry PE. Způsobuje ho kapacita Cy filtru (kapacita proti kostře).

Při použití proudových chráničů při velké kapacitě tohoto kondenzátoru dochází k odepnutí proudového chrániče, proto je třeba použít odpovídající odrušovací filtr.

U třífázových odrušovacích filtrů je v ustáleném stavu hodnota proudu kondenzátorem Cy prakticky rovna nule, ale při zapnutí na síť v přechodovém ději může být tento proud podstatně vyšší a dochází k vybavení proudového chrániče.

Další připomínkou k použití odrušovacích filtrů je skutečnost, že filtry používají kompenzovanou indukčnost a okamžitý součet proudů vždy musí být roven nule. Znamená to, že u třífázových zapojení, kdy je použit střední vodič (N) jako pracovní, je nutno použít odrušovací filtr, který má indukčnost i v přívodu středního vodiče (N).

Závěr

V článku jsou popsána jednotlivá úskalí (ze silového hlediska), se kterými se konstruktér pohonů setkává při použití komerčních frekvenčních měničů, ať jsou to vyšší harmonické napájecího proudu, vedení výstupního kabelu k motoru, nebo prakticky vždy používané síťové odrušovací filtry. Na tyto jednotlivé komponenty je potřeba brát zřetel již při návrhu celého zařízení, neboť dodatečná instalace bývá často dosti komplikovaná z hlediska místa, teploty v rozváděči, použití stíněných kabelů, kvalitní bezindukční kostry i ceny celého zařízení.