Ochrona przeciwporażeniowa instalacji napędowych z napięciowymi przemiennikami częstotliwości zasilanymi z sieci TN-S do 1kV. Prądy i napięcia na wejściach i wyjściach mocy przemiennika napięciowego. Przemiennik częstotliwości a zagrożenie porażeniem. dr inż. Jerzy Szymański Politechnika Radomska e-mail: j.szymanski@radom.pr.pl

Nieliniowe obciążenie – źródło harmonicznych prądu i zwiększonych zakłóceń Impedancja układu zasilania zniekształcenie prądu zniekształcenia napięcia Występowanie harmonicznych nieparzystych: 1, 5, 7, 11 ... Zakłócenia przekazywane do otoczenia Current distortion is related to the apparatus and Voltage distortion is a system-level parameter which is percepted by other users in the same supply system Voltage distortion is a product of harmonic current and the system impedance at that harmonic frequency. Voltage distortion can either be reduced by lowering harmonic current (filtering) or by lowering the system impedance (increase short-circuit capacity). ….. or by harmonic cancelation of different loads Harmoniczne prądu są przyczyną nieprawidłowego działania wielu technicznych środków ochrony przeciwporażeniowej wskutek występowania dużych zakłóceń asymetrycznych.

Zniekształcenia prądu zasilania prostownika 3f6d Analiza harmonicznych ------------------------------------------------ Składowa podstaw. 38.57 A Współ. THDi 104.52% I RMS 55.79 A Stała Harm. - Hc 704 % Harmoniczne: 5’th 30.41 A 7’th 23.64 A 11’th 10.01 A 13’th 5.07 A No ac or dc-side inductors. Only supply system impedamce limits the current. Xsupply=0.5% relative to drive-size. Short-circuit ratio equals 1/0.5% = 200. THD > 100%! means that the harmonic currents contribute more to the rms current than the fundamental component IFL- pełny prąd odciążenia przemiennika, ISC – prąd zwarciowy transformatora zasilania

Rezonans szeregowy - napięciowy Przemiennik częstotliwości w instalacji napędowej to źródło prądów zakłóceń generowanych do sieci i silnika Każde 10 metrów kabla NN – 10 mm2 odpowiada reaktancji indukcyjnej dla 50Hz - X, ok. 1mW Dwa obwody generowania zakłóceń asymetrycznych o zmiennej dynamice: 1. Prostownik 3f6d przemiennika - sieć zasilania (zależnie od obciążenia) 2. Falownik PWM przemiennika – silnik (zależnie od częstotliwości harmonicznej podstawowej napięcia zasilania silnika) Rezonans szeregowy - napięciowy

Rodzaj i sposób podłączenia kabla silnikowego decyduje o zapewnieniu ochrony dodatkowej Napięcie międzyfazowe i prąd wyjściowy przemiennika PWM Tdz=5ms. Udz=200V, Idz=5A, fh1=40Hz. Kabel ekranowany zmniejsza zawartość prądów zakłóceń wspólnych w przewodzie ochronnym PE między silnikiem i przemiennikiem: Ważne jest dwustronne łączenie kabla przy większych odległościach. Zwiększanie przekroju przewodu ochronnego PE nie wpływa na zmniejszenie poziomu prądów zakłóceń wspólnych. Napięcie fazowe i prąd wyjściowy przemiennika PWM obciążonego silnikiem klatkowym.

Głębokość modulacji PWM (MSI) zwiększa zakłócenia asymeryczne Napięcie międzyfazowe silnika zasilanego z napięciowego falownika PWM dla podstawowej harmonicznej o częstotliwości 5Hz i wartości skutecznej 136V. Napięcie na zaciskach silnika: fh1=5Hz (Umax=768V, Umin=-600V) Widmo harmonicznych napięcia; RMS=136V, Peak=768V, Napięcie międzyfazowe silnika zasilanego z napięciowego falownika PWM dla podstawowej harmonicznej o częstotliwości 50Hz i wartości skutecznej 420V. Silnik: ESg90L4B/TAMEL – 380V/IN=3.7 A/MN=10.1 Nm/PN=1.5 kW/ izol. kl. B/nn=1420 obr/min Odległość: silnik – przemiennik = 3 m,   Modulacja napięcia wyjściowego przemiennika: VVC+ (3rd generation PWM principle SFAVM – Stator Flux oriented Asynchronus Vector Modulation) Uwaga: Przy obciążeniu silnika stałym momentem nominalnym, poniżej 15 Hz występuje przegrzewanie silnika. Napięcie na zaciskach silnika: fh1=50Hz (Umax=768V, Umin=-600V) Widmo harmonicznych napięcia; RMS=420V, Peak=648V

Podsumowanie Zagrożenia właściwej pracy technicznych środków ochrony przeciwporażeniowej. HARMONICZE PRĄDÓW ZAKŁÓCEŃ ASYMETRYCZNYCH NA ZASILANIU GWAŁTOWNIE SIĘ ZWIĘKSZAJĄ PRZY PRZEWYMIAROWANYCH LUB NIEDOCIĄŻONYCH PRZEMIENNIKACH CZĘSTOTLIWOŚCI: UNIWERSALNE PRZEMYSŁOWE PRZEMIENNIKI, TJ. DEDYKOWANE DO NAPEDÓW STAŁO I ZMIENNOMOMENTOWYCH O PRZECIĄŻENIU 150-200% IN SĄ DUŻYM ŹRÓDŁEM HARMONICZNYCH ( Hc PRZY OBCIĄŻENIU NOMINALNYM WYNOSI OK. 700% ). PRZEMIENNIKI DO DEDYKOWANE DO APLIKACJI WENTYLATOROWO-POMPOWYCH SĄ DUŻYM ŹRÓDŁAMI ZAKŁÓCEŃ HARMONICZNYCH ZE WZGLĘDU NA ICH DUŻE NIEDOCIĄŻENIE PRZY ZMNIEJSZANIU PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKA. Ograniczenia zastosowania technicznych środków ochrony: BRAK MOŻLIWOŚCI STOSOWANIA WYŁĄCZNIKÓW PRZECIWPORAŻENIOWYCH RÓŻNICOWOPRĄDOWYCH (DO 30mA). TYPOWE PRĄDY ZAKŁÓCEŃ ASYMETRYCZNYCH W PRZEWODZIE PE OSIĄGAJĄ WARTOŚCI 50 – 100mA. ZALEŻĄ ONE OD DŁUGOŚCI I RODZAJU KABLA SLINIKOWEGO. STOSOWANIE W INSTALACJI Z PRZEMIENNIKAMI WEJŚCIOWYCH FILTRÓW HARMONICZNYCH PRĄDU I WYJŚCIOWYCH FILTRÓW HARMONICZNYCH NAPIĘCIA, MOŻE UMOŻLIWIĆ WŁAŚCIWĄ PRACĘ TECHNICZNYCH URZADZEŃ UZUPELNIAJACYCH OCHRONE PODSTAWOWĄ I DODATKOWĄ. Artykuł i prezentację udostępnię dla dydaktyki e-pocztą. Several sloutions are available for reduction of the harmonic currents from the rectifier. +Harmonic traps and line voltage conditioners / UPS that operate on a system performance level. Front-end modifications affect the current quality of each unit - not a system-wide optimization. Some solutions like shunt active filter can also be used for global compensation at the PCC