Měření při údržbě pohonů a motorů (2)
3. 5. 2021 | Ing. Jaroslav Smetana | Blue Panther, s. r. o. | www.blue-panther.cz
Co napáchá nesymetrie a kolísání napětí, a jeho zkreslení při provozu pohonu
Co napáchá nesymetrie a kolísání napětí, a jeho zkreslení při provozu pohonu
V předchozí části seriálu o měření na pohonech jsme skončili s důrazem na vlastnosti napájecího napětí a proudu a dalších parametrů elektrické sítě, které mají významný vliv na provoz, stabilitu a životnosti pohonu.
Při posuzování stavu měniče je třeba si uvědomit, že vůči napájecí síti se měnič chová jako nelineární spotřebič. Proud odebíraný ze sítě je tedy nesinusový. Proud odebíraný měničem je vždy větší, než by odpovídalo jednoduchému kontrolnímu výpočtu praktiků I = P/U, neboť přívodními vodiči (i při nulovém fázovém posunu mezi U a I) protékají proudy harmonických složek. Tato situace ovlivňuje celou energetickou soustavu závodu počínaje jisticími prvky, přes průřezy vodičů, výkon a ztráty transformátoru až po kompenzační systém.
Vrátíme se k prvnímu parametru, jehož vliv jsme naznačili v předchozí části, a to nesymetrii napětí a proudu. Při nestejném napětí jednotlivých fází napájejících měnič dochází k posunu pracovního bodu usměrňovače, což vyvolá změnu tvaru proudu odebíraného usměrňovačem ze sítě. Odebíraný proud má jiný obsah harmonických složek a stoupá v něm úroveň 3. harmonické, a ani nové řízené usměrňovače se tomuto jevu příliš neubrání. V důsledku této situace vzrůstá oteplení součástek usměrňovače i kondenzátoru meziobvodu. To vede k náhodným poruchám usměrňovače a snížení kapacity kondenzátoru, a tím i k ovlivnění napětí meziobvodu, který napájí spínací část. Snížená kapacita kondenzátoru znamená menší schopnost držet napětí meziobvodu.
Jak tedy ověřit nesymetrii napětí a proudu? Jednoduchá metoda je např. multimetrem změřit postupně sdružené napětí mezi jednotlivými fázemi, vypočítat průměr a trojčlenkou dopočítat největší odchylku. Tento jednoduchý způsob má nevýhodu v tom, že získáme představu jen o velikosti rozdílu napětí, ale nedovíme se nic o posunu středního bodu soustavy. Proto se pro ověřování velikosti nesymetrie v měřicích přístrojích používá tzv. metoda symetrických složek. Nebudeme se zde pouštět do složitých matematických výpočtů, ty za nás udělá dobrý měřicí přístroj. Tato metoda říká, že nesymetrickou soustavu lze rozložit (dekomponovat) na tři samostatné soustavy, což je patrné z obr. 1, Nesymetrickou soustavu, tedy třeba soustavu tří napětí třífázové soustavy lze rozložit na tři komponenty, které charakterizují stupeň nesymetrie.
Obr. 1. Nesymetrickou soustavu lze rozložit (dekomponovat) na tři samostatné soustavy
Na složku pozitivní sekvence, která má dohodnutý správný směr otáčení fázorů a pořadí fází. Druhou složkou je negativní sekvence. Ta se vyznačuje opačným směrem otáčení fázorů a u motorů se podílí na jejich neefektivitě (brzdí točivý moment vytvořený pozitivní sekvencí). Třetí složka rozkladu na obr. 1 je tzv. nulová sekvence. Ta má tu zvláštní vlastnost, že nevytváří točivé pole, ale jen protlačuje proud vinutím motoru případně transformátoru a zahřívá jej.
V rozvodu sítě pak při existenci nulové sekvence dochází k vytvoření napětí mezi nulovým uzlem transformátoru a zemí. Situace je naznačena na obr. 2. Jak je patrné, při nesymetrii napětí nulová složka napětí se uzavírá přes střední vodič N a tímto vodičem protéká proud a vodič zatěžuje a tím dochází k nadbytečným ztrátám. Díky impedanci tohoto vodiče dochází i k úbytku napětí na něm a tak je, v místě spotřebiče, proti zemi napětí.
Obr. 2. Při existenci nulové sekvence dochází k vytvoření napětí mezi nulovým uzlem transformátoru a zemí
Pro kontrolu stavu měniče je velmi důležité také ověřit nesymetrii odebíraného proudu i velikost proudu jednotlivých fází vůči jeho provozní hodnotě. Čím tedy nesymetrii měřit správně?
Analyzátor pohonů Fluke MDA 550 byl navržen tak, aby „uměl“ změřit a zobrazit všechny klíčové parametry, které je nezbytné na pohonu ověřit. Pro ověření všech funkcí pohonu nyní potřebujeme pouze jediný přístroj, který sdružuje všechny pro tuto činnost potřebné funkce, na rozdíl od předchozí situace, kdy bylo pro měření na vstupu měniče třeba minimálně analyzátoru kvality sítě a pro měření uvnitř měniče a na jeho výstupu pak osciloskopu.
Fluke MDA 550 (obr. 3) je vybaven dostatečnými schopnostmi i pro hloubkové řešení problémů ve všech částech pohonu. Další výhodou je, že je vybaven grafickými nástroji, jeho systematické menu vede uživatele v každém kroku, jak je zřejmé z obr. 4, a pomocí diagramů zapojení pomáhá se správným připojením přístroje pro danou operaci (obr. 5), v tomto případě měření nesymetrie napětí. Po připojení kabelů podle schématu na obrazovce s tiskem tlačítka „další“ se zobrazí průběh napětí všech tří fází a na horní liště obrazovky velikosti efektivní hodnoty napětí a procento nevyvážení napětí (0,5 % Unb). Podobně volbou v hlavním menu „nevyvážení proudu“ (obr. 4) přístroj zobrazí zapojení proudových kleští a stiskem „další“ zobrazí průběhy proudů a nevyvážený proud. V našem případě 12,6 % Unb. Volbou „harmonické“ přístroj zobrazí čarový graf harmonických složek napětí nebo proudu. V našem příkladu na obr. 5 je vidět na další obrazovce i spektrum proudu.
Obr. 3. Fluke MDA 550, Obr. 4. Systematické menu
Obr. 5. Správné připojením přístroje pro danou operaci
Dostáváme se tak k dalšímu parametru, kterým je zkreslení. Jednak zkreslení napětí napájející měnič ale i zkreslení proudu odebíraného měničem.
Díky rozsáhlému využívání výkonové elektroniky v průmyslu, tedy i řízených pohonů, ale i UPS, a soft startérů atd., napětí v průmyslových závodech již dávno nemá sinusový průběh. O proudu protékajícím vedeními sítí i transformátory ani nemluvě. Vlivem zkreslení napětí i proudu dochází k mnoha škodlivým jevům, které zkracují životnost zařízení, způsobují poruchy, přerušení výroby i energetické ztráty.
Řízené pohony patří mezi jedny ze „škodičů“ sítě tím, že nesinusový proud jimi odebíraný ovlivňuje napájecí napětí připojených zařízení. Proto je velmi důležité tento jev zhodnotit a posoudit jeho škodlivost v daném místě sítě. Zkreslení proudu vzniká jeho průtokem nelineární zátěží. Jak jsme již uvedli, měnič se z pohledu napájecí sítě chová jako nelineární zátěž.
Na obr. 6 je naznačen dvoucestný usměrňovač. V třífázových spotřebičích jako měniče jsou používána zapojení šesti, případně vícepulzní. Pro objasnění vyjádření zkreslení a harmonických složek však toto postačí.
Časový průběh proudu usměrňovače z obr. 6 je na obr. 7, kde na rozdíl od průběhu napětí je zřejmé, že tvar proudu usměrňovače je velmi odlišný od sinusovky. Nicméně pro posouzení velikosti zkreslení je časový průběh, tedy tvar vlny, velmi nepraktický.
Obr. 6. Dvoucestný usměrňovač, Obr. 7. Časový průběh proudu usměrňovače z obr. 6
Obr. 8. Rozklad průběhů
V praxi se používá tak zvaná harmonická analýza (Fourierova transformace). Ta zjednodušeně říká, že každý periodický průběh jakéhokoliv tvaru lze rozložit na nekonečný součet sinusových vln, jejichž frekvence je celistvým násobkem základní frekvence originální vlny, a které se liší amplitudou a fází. Tedy v případě elektrické sítě je základní složkou síťová frekvence f1 = 50 Hz a další složky jsou její celistvé násobky, tedy f2 = 100 Hz, f3 = 150 Hz, f4 = 200 Hz, f5 = 250 Hz atd. Rozklad je patrný na obr. 8. Je zřejmé, že pouze takovéto zobrazení by příliš nezjednodušilo porovnání rozdílů mezi nezkresleným a zkresleným napětím či proudem. Protože frekvence jednotlivých složek jsou celistvé násobky, je možné zobrazit pouze jejich velikosti (napětí, proudy či procenta) sloupcovým grafem v pořadí násobků základní frekvence. Tím je proveden převod z tzv. časové domény do domény frekvenční, viz obr. 9.
Prakticky je rozklad prováděn jen v omezeném počtu násobků základní harmonické tak, aby bylo dosaženo dostatečné přesnosti, běžně do 25. nebo 50. harmonické.
Díky tomuto zobrazení máme již jasnou představu o tom, které složky (frekvence) a v jaké velikosti se v daném místě sítě vyskytují. Jednotlivé harmonické však nejsou charakterizovány jen svým pořadím (násobkem základní složky) a svou velikostí, která určuje velikost zkreslení, jak je zřejmé z obr. 9, ale i svou paritou, tedy tím, zda jsou sudé nebo liché. Parita harmonické je důležitá vlastnost. Většina sítí v průmyslu pracuje v zapojení do hvězdy, a v tomto zapojení v bezporuchovém stavu se nemohou vyskytovat sudé harmonické. Protože mezi sudé harmonické lze zahrnout i stejnosměrnou složku, (označována je jako f0), tak výskyt sudých složek, případně složky stejnosměrné signalizuje problém na síti. Jinak řečeno ve „zdravé“ síti by se měly vyskytovat jen harmonické liché (f1, f3, f5, f7, f9, f11…).
Obr. 9. Převod z tzv. časové domény do domény frekvenční
Obr. 10. Směr otáčení jednotlivých harmonických v tabulce
Další velmi důležitou charakteristikou harmonických je tzv. sekvence. Podobně jako složky vzniklé při rozkladu nesymetrie napětí popisované výše (obr. 1), jsou i jednotlivé harmonické charakterizovány sekvencí – tedy směrem otáčení jejich fázorů. Směr otáčení jednotlivých harmonických je patrný z tabulky na obr. 10 a grafu na obr. 11.
Z hlediska negativních vlastností je na prvém místě 3. harmonická (f3 = 150 Hz). Na rozdíl od základní složky 50 Hz, která má fázový posun jednotlivých fází 120° a tedy fázorový součet v uzlovém bodě soustavy je ve vyváženém stavu nula, je 3. harmonická a její násobky (9., 11., 15., …) na jednotlivých fázích soustavy ve fázi. Na uzlu soustavy se pak objeví jejich součet. Pokud je na každé fázi stejná velikost např. napětí 3. harmonické, na uzlu bude její trojnásobek (obr. 12).
Obr. 11. Směr otáčení jednotlivých harmonických na grafu
Obr. 12. Je-li na každé fázi stejná velikost např. napětí 3. harmonické, na uzlu bude její trojnásobek
Nastane tedy podobná situace, jako při napěťovém nevyvážení, na uzlu soustavy se objeví součtové napětí, tentokrát s frekvencí 150 Hz a nulovým vodičem bude protékat proud.
Dalšími důležitými harmonickými složkami jsou složky s negativní sekvencí uvedené v tabulce na obr. 10 a grafu na obr. 11.
Škodlivou vlastností 5., 11., a dalších harmonických s negativní sekvencí je to, že jejich fázory se otáčejí opačným směrem než fázory složky základní (50 Hz). Tím dochází např. u motorů k jejich brždění.
V souvislosti s harmonickými, které lze analyzátorem Fluke MDA 550 velmi snadno ověřit stiskem jednoho tlačítka, při ověřování velikosti napětí a proudů a jejich nesymetrie je třeba ještě uvést jednu speciální funkci, kterou je přístroj vybaven, a která je hned po ruce při kontrole harmonických. Je to funkce „Supra Harmonics“, která metodou FFT zobrazí spektrum v pásmu 1 až 9 kHz a 9 až 150 kHz jak je zřejmé z obr. 13. Tato funkce přinese informaci o případných vysokofrekvenčních složkách, které mohou procházet měničem z jeho spínací části a dostávat se na napájecí napětí. Mohou pak přes zemní spojení rušit komunikaci vlastního měniče nebo další připojená zařízení.
Obr. 13. Funkce „Supra Harmonics“ metodou FFT zobrazí spektrum vpásmu 1 až 9 kHz a 9 až 150 kHz
Ověření napěťového a proudového nevyvážení, úrovně zkreslení a zjištění velikosti dominantní harmonické je důležité nejen z pohledu vlivu měniče na napájecí síť, ale ještě důležitější je z pohledu na vliv na meziobvod měničů. Vlivem lichých harmonických v napájecím napětí totiž dochází ke snížení stejnosměrného napětí meziobvodu a tím narušení správné funkce spínacích obvodů měniče i vyššímu zahřívání filtračních kondenzátorů meziobvodu.
Problematice meziobvodu a měření na něm se budeme věnovat v další části seriálu.