Frekvenčně řízené elektrické pohony a jejich elektromagnetická kompatibilita

Frekvenčně řízené elektrické pohony a jejich elektromagnetická kompatibilita

doc. Ing. Jaroslav Novák, CSc.,
ČVUT Praha, Fakulta strojní, Ústav přístrojové a řídicí techniky

Článek se zabývá problematikou rušivých vlivů generovaných měniči frekvence s napěťovým meziobvodem a šířkově pulsní modulací pro střídavé pohony z pohledu běžné průmyslové praxe. Může být využit jako pomůcka zejména projektanty, provozními a servisními techniky při navrhování a provozu uvedených zařízení a zároveň být zdrojem inspirace pro operativní řešení problémů, oživování a provoz frekvenčně řízených pohonů. V první části článku jsou shrnuty rušivé vlivy měničů frekvence a uvedeny zásady pro instalaci pohonů s těmito měniči z hlediska elektromagnetické kompatibility. V druhé části jsou na několika příkladech popsány konkrétní problémy s rušením z autorovy praxe a jejich řešení.

1. Úvod

Současná situace v oblasti využití elektrické energie je charakteristická rychlým nárůstem počtu aplikací, kde se uplatňují výkonové spínací tranzistory pracující s vysokými spínacími frekvencemi, s vysokými strmostmi napětí a proudu a často také s velkými výkony. Tento stav však s sebou nese velké množství různorodých problémů, které souvisejí s rušivými účinky, jež negativně ovlivňují funkci okolních zařízení i zařízení samotného. Velmi aktuální je tento problém v oblasti měničů frekvence pro střídavé elektrické pohony, kde se uplatňuje šířkově pulsní modulace často při značných výkonech. Ačkoliv již bylo mnoho informací o řešení problémů elektromagnetické kompatibility měničů frekvence publikováno a některé informace jsou dostupné z firemní dokumentace, stal se opakovaný a častý výskyt podobných situací motivem k napsání tohoto článku, který shrnuje důležité zásady a prezentuje i konkrétní příklady řešení problémů vzniklých v praxi.

Hned v úvodu je třeba poznamenat, že otázky spojené s elektromagnetickou kompatibilitou jsou velmi obtížně řešitelné analytickými metodami v laboratorních podmínkách, natož v podmínkách průmyslového provozu. Řešení elektromagnetické kompatibility měničů frekvence tedy spočívá zejména v dodržování určitých zásad při projektování, realizaci a provozu pohonu, jakož i v případném vyhodnocování rušivých účinků s pomocí výsledků měření. I při dodržení všech zásad však nelze mít předem jistotu, že problémy s rušením nevzniknou. Při jejich případném odstraňování u konkrétního zařízení se využívají zejména empirické postupy.

2. Standardní provedení měniče frekvence a klasifikace problémů jeho elektromagnetické kompatibility

Pohon s asynchronním motorem napájeným z měniče frekvence se v průmyslových aplikacích stal standardem. Co se týče servopohonů, měnič frekvence nejčastěji napájí synchronní motory s permanentními magnety. Výkonová část měniče je v obou skupinách pohonů stejná. Nejstandardnější provedení měniče frekvence pro průmyslové pohony lze charakterizovat těmito znaky:

• vstupní usměrňovač je nejčastěji realizován třífázovým (v případě malých výkonů někdy i jednofázovým) diodovým můstkem,
• výstupní napětí usměrňovače je vyhlazeno kondenzátorem,
• v případě potřeby generátorického brzdění pohonu je ke stejnosměrnému obvodu připojena brzdná jednotka s rezistorem,
• výstupní střídač IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor, bipolární tranzistor s izolovaným hradlem),
• výstupní napětí střídače je formováno šířkově pulsní modulací s frekvencí nejčastěji v rozsahu od 1 do 20 kHz.

Rušivé vlivy těchto měničů frekvence je možné rozčlenit do těchto skupin:

• rušivé vlivy na napájecí síť – měnič frekvence odebírá nesinusový proud, pracuje se špatným činitelem výkonu l = P/S (obdoba účiníku cos j, avšak se zohledněním vyšších harmonických) a zatěžuje síť vyššími harmonickými, spektrum harmonických i l se mohou rychle měnit,

• rušivé vlivy na výstupu měniče – nepříznivé vlivy na motor, zejména vyšší napěťové namáhání motoru, větší hluk, přídavné tepelné ztráty, větší zvlnění momentu,

• vysokofrekvenční elektromagnetické rušení – sleduje se zejména pásmo 150 kHz až 30 MHz; uplatňuje se na vstupu i výstupu měniče a může rušit HDO (hromadné dálkové ovládání), zabezpečovací systémy, rádiový a televizní přenos, řídicí a měřicí systémy atd.

Obr. 1. Měnič frekvence se vstupními a výstupními odrušovacími prostředky

Odstínění rušivých vlivů se zabezpečuje především prostřednictvím:

• vstupních odrušovacích prostředků,
• výstupních odrušovacích prostředků,
• celkového vhodného řešení pohonu z hlediska elektromagnetické kompatibility.

Obecné provedení frekvenčně řízeného pohonu, včetně aplikace vstupních a výstupních odrušovacích prostředků, je uvedeno na obr. 1.

3. Normy

Požadavky na omezení rušivých vlivů elektronických zařízení a zároveň na odolnost proti vnějším rušivým vlivům jsou zakotveny v příslušných normách. Pro měniče frekvence mají hlavní význam tyto normy:

• ČSN EN 61000-6-1 – Elektromagnetická kompatibilita – odolnost – prostředí obytné, obchodní a lehkého průmyslu,

• ČSN EN 61000-6-2 – Elektromagnetická kompatibilita – odolnost – průmyslové prostředí,

• ČSN EN 61000-6-3 – Elektromagnetická kompatibilita – emise – prostředí obytné, obchodní a lehkého průmyslu,

• ČSN EN 61000-6-4 – Elektromagnetická kompatibilita – emise – průmyslové prostředí,

• ČSN EN 55011 – Elektromagnetická kompatibilita – definice limitů emisí vysokofrekvenčního rušení pro pohony.

4. Odrušení na vstupu měniče – vstupní filtr

Nutnost odrušení měniče se vstupním diodovým usměrňovačem na straně sítě je dána charakterem odebíraného proudu. Proud je tvořen úzkými vysokými pulsy, které se uplatňují v intervalech, kdy je okamžitá hodnota síťového napětí vyšší než napětí kondenzátoru v meziobvodu. V případě třífázového usměrňovače jde o dva pulsy v jedné půlperiodě síťového napětí, v případě jednofázového usměrňovače se v jedné půlperiodě vstupního napětí vyskytuje jeden puls. Veškerou energii ze sítě musí měnič odebrat během těchto krátkých časových intervalů. Na obr. 2 je příklad průběhu vstupního proudu měniče se vstupním třífázovým diodovým usměrňovačem.

Obr. 2. Vstupní proud měniče s motorem 4 kW

Z obr. 2 je zřejmé, že proud je značně nesinusový s velkým obsahem vyšších harmonických. Z hlediska odrušovacích prostředků se dělí odrušení vstupu měniče na vysokofrekvenční a nízkofrekvenční.

K odstínění vysokofrekvenčního rušení se používá vstupní odrušovací filtr (viz obr. 1). Tento filtr je nutné ve spojení s měničem frekvence vždy použít. Měniče frekvence některých výrobců již mají tento filtr standardně zabudován. Vstupní filtr zabraňuje pronikání rádiového rušení do sítě v rozsahu 150 kHz až 30 MHz. Vstupní filtry LC jsou zapojeny jako L-články nebo p-články.

Při použití vstupního filtru musí být součet vstupních proudů roven součtu výstupních proudů. Předpokládá-li se průchod proudu středním pracovním vodičem, je třeba použít čtyřvodičový filtr, u kterého jsou připojeny filtrační kondenzátory i na střední vodič, a důsledně oddělit ochranný a pracovní střední vodič. Ve spojení s filtrem může při zapínání měniče docházet k výpadkům proudového chrániče. V tomto případě je třeba použít čtyřvodičový filtr nebo proudový chránič se zpožděním.

Filtry se dimenzují podle vstupního proudu měniče a obvykle snesou proudové přetížení 150 % po dobu asi 2 min. U větších filtrů je třeba počítat i s jejich ztrátovým výkonem. Při proudech okolo 100 A vykazují filtry ztráty řádově v desítkách wattů. Je třeba vzít v úvahu i to, že filtr odebírá jalovou složku proudu. Při paralelním chodu více měničů lze použít jeden společný filtr, který bude dimenzován na součtový proud všech měničů.

5. Odrušení na vstupu měniče – vstupní tlumivky

Pro vylepšení harmonického spektra proudu a snížení zatížení diod vstupního usměrňovače špičkovými hodnotami vstupního proudu je nutné na vstup měniče zapojit vstupní tlumivky (viz obr. 1). Použití tlumivek je nezbytné zejména v případě „tvrdé“ napájecí sítě, je-li síťový přívod dimenzován na více než desetinásobek jmenovitého vstupního proudu měniče. U pohonů menších výkonů, tj. asi do 5 kW, není vždy nutné, zejména v případě „měkké“ napájecí sítě, používat tlumivky. Někteří výrobci integrují vstupní tlumivky do měniče (někdy i za vstupní usměrňovač na vstup stejnosměrného meziobvodu).

Při použití externího vstupního filtru a externích tlumivek nezáleží na pořadí připojení těchto prvků. Při paralelním chodu měničů musí být každý měnič připojen přes separátní tlumivky. Na tlumivkách vzniká úbytek napětí, který by neměl být vyšší než 5 %. Úbytek stejného charakteru může vznikat v případě měkké sítě na její vnitřní impedanci. Tento úbytek nevzniká po dobu celé periody napájecího napětí, ale jen v časových intervalech, kdy přes usměrňovač protéká proud, který dobíjí kondenzátor v meziobvodu, tj. v okolí amplitudy síťového napájecího napětí.

Úbytek napětí může mít dvojí negativní účinek. Zaprvé jde o deformaci napájecího napětí v měkké síti. Navíc se však vlivem snížené amplitudy vstupního napětí snižuje hodnota napětí, na kterou je nabíjen kondenzátor v meziobvodu. V důsledku poklesu napětí meziobvodu klesá při jmenovité výstupní frekvenci měniče efektivní hodnota výstupního napětí, a tím výrazně i točivý moment motoru. Přestože efektivní hodnota vstupního napětí klesá minimálně, pokles napětí ve stejnosměrném meziobvodu může být i vyšší než 10 %, neboť vstupní napětí klesá jen v intervalech, kdy se přes usměrňovač dobíjí kondenzátor meziobvodu. Popsaný jev může být zvláště výrazný zejména u měničů s jednofázovým napájením. Řešením v tomto případě je snížení indukčnosti vstupních tlumivek.

Obr. 3. Prvek vedení s parazitními prvky

Se zvětšujícím se jmenovitým proudem se indukčnost doporučených tlumivek snižuje (např. pro jmenovitý vstupní proud měniče 5 A je doporučená indukčnost 10 mH, pro 20 A 1 mH a pro 80 A je to 0,4 mH). V dokumentacích k měničům frekvence jsou často uváděny doporučené hodnoty indukčností vstupních tlumivek podle výkonu měniče. Dimenzování tlumivek je nutné věnovat náležitou pozornost. Při příliš malé indukčnosti tlumivek nebudou dostatečně omezeny špičky proudu, naproti tomu při příliš velké indukčnosti může docházet k příliš velkému poklesu napětí meziobvodu a ke zpožděnému vybavování nadproudových ochran.

6. Odrušení na vstupu měniče – kompatibilní usměrňovač

Efektivním řešením kompatibility měniče se sítí je použití vstupního kompatibilního usměrňovače namísto diodového. Informace o problematice těchto měničů byly již publikovány, proto pro úplnost uveďme jen nejzákladnější údaje. V principu jde o střídač, který je střídavou stranou připojen k síti a stejnosměrnou stranou na vstup stejnosměrného meziobvodu. Kompatibilní usměrňovač pracuje se šířkově pulsní modulací. Kritériem řízení je udržení požadovaného napětí na kondenzátoru v meziobvodu, odběr sinusového proudu ze sítě a odběr minimálního jalového výkonu. Kromě toho je při generátorickém brzdění umožněn tok energie z motoru do sítě. Při generátorickém brzdění není tedy třeba brzdný odpor a brzdná energie je vracena do sítě. V případě měkké napájecí sítě lze kompatibilním usměrňovačem filtrovat i vyšší harmonické sítě či kompenzovat jalový výkon. Podmínkou pro realizaci popsaných funkcí je, aby bylo napětí kondenzátoru v meziobvodu vyšší než amplituda síťového napětí. Měniče frekvence s kompatibilními usměrňovači jsou na trhu běžně dostupné, avšak zpravidla až od výkonu asi 10 kW. Jejich nevýhodou je vyšší cena. Proto nacházejí uplatnění zejména v pohonech, kde se předpokládají delší intervaly generátorického brzdění.

7. Rušivé vlivy na výstupu měniče – napěťové a proudové špičky

Spínací doba IGBT ve střídači, který pracuje se šířkově pulsní modulací, se pohybuje v intervalu od 0,1 do 1 µs. Tomu odpovídá strmost změny napětí až 5 000 V/µs. U některých měničů je spínací doba záměrně prodlužována konstrukcí budiče IGBT, avšak nárůst této doby je limitován velikostí spínacích ztrát polovodičového prvku. Při velkých strmostech se již mohou začít výrazně projevovat parazitní vlivy způsobené rezistory (R), kapacitami (C), indukčnostmi (L) a svody (G) kabelu mezi motorem a měničem. Prvek vedení s těmito složkami je popsán v náhradním schématu na obr. 3.

Například u kabelu CYSY s průřezem měděných jader 1,5 mm² se při frekvenci 1,5 MHz uvádějí hodnoty: R = 0,047W·m^–1, C = 0,12 nF·m^–1, L = 0,343 µH·m^–1, G = 33,3 µS·m^–1. Tyto parametry se mění s frekvencí.

Obr. 4. Interference napěťových vln na vedení mezi měničem a motorem; 1 – šíření napěťové vlny po připojení napětí, 2 – motor se chová jako rozpojený konec kabelu – odraz vlny stejné velikosti i polarity, vzrůst okamžité hodnoty napětí až na přibližně dvojnásobek napětí meziobvodu, 3 – měnič se chová jako zkratovaný kabel – odraz vlny stejné velikosti, ale opačné polarity, 4 – interference napěťových vln, 5 – opakování celého procesu.

Po přivedení napětí na kabel se začne kabelem šířit napěťová vlna, která zčásti projde a zčásti se odrazí v místě změny impedance kabelu. Dojde-li vlna na rozpojený konec kabelu, odrazí se zpět se stejnou velikostí i polaritou. Je-li konec kabelu zkratován, odrazí se vlna s opačnou polaritou. Měnič se jeví jako napěťový zdroj s minimální vnitřní impedancí, naopak impedance motoru je z hlediska vlnových jevů velká a motor se chová jako rozpojený konec kabelu. Kdyby nedocházelo k útlumu na kabelu, bylo by výsledné napětí v daném místě určeno interferencí působících vln (obr. 4).

Na svorkách motoru i měniče může působením vlnových jevů vzrůstat okamžitá hodnota napětí až na asi dvojnásobek napětí meziobvodu. Velikost těchto špiček není závislá na spínací frekvenci šířkově pulsní modulace ani na zatížení motoru. Velikost přepěťových špiček závisí pouze na parametrech kabelu a strmosti vzrůstu napětí. V motoru je namáhána těmito špičkami fázová izolace mezi vodiči různých fází, hlavní izolace mezi vinutím a kostrou i izolace vinutí izolující od sebe jednotlivé části téhož vinutí. Zvýšené napěťové namáhání způsobuje rychlejší stárnutí izolace a zvyšuje riziko průrazu. Toto nebezpečí je velké zejména u starších motorů. Konstrukce novějších motorů již počítá s možností napájení z polovodičového měniče a tomu odpovídá i zvýšená elektrická pevnost použité izolace – do 1 100 V u fázové a hlavní izolace a do 800 V u izolace vinutí (uvedené hodnoty platí pro izolaci třídy F do 155 °C).

Vliv parazitních parametrů kabelu zpravidla roste se zvětšující se délkou kabelu, ale existují i výjimky. Zmenšení délky kabelu vede ke zmenšení svodu a odporu. Tento vliv může dominovat nad snížením indukčnosti a kapacity, tím se sníží tlumení a zvýší se vliv vlnových jevů na kabelu. Jiným případem je existence určité kritické délky kabelu, při které se vlna napětí po úplném odrazu vrátí na začátek vedení v okamžiku dosažení maximálního výstupního napětí měniče (bude-li např. rychlost vlny rovna polovině rychlosti šíření světla a strmost vzrůstu napětí na výstupu měniče 5 000 V/µs, bude kritická délka kabelu 15 m).

Kromě napěťových špiček se mohou na výstupu měniče vyskytovat i proudové špičky, jež jsou vytvářeny proudy, které nabíjejí parazitní kapacity kabelu (např. u kabelu délky 150 m mohou tyto špičky dosahovat až 10 A, a to i bez připojeného motoru). Doba trvání proudových špiček může dosahovat řádově až jednotek milisekund. Proudové špičky mohou způsobovat také vybavování nadproudových ochran měniče.

8. Další rušivé vlivy na výstupu měniče

Napájení motoru z měniče frekvence se může projevovat zvýšeným hlukem motoru. Nejvíce tento jev působí při frekvencích šířkově pulsní modulace do 8 kHz. Slyšitelný hluk je výrazně eliminován zvýšením frekvence šířkově pulsní modulace nad 10 kHz. Je však třeba pamatovat na to, že se může zvýšit elektromagnetického rušení a zároveň spínací ztráty v měniči; s tím zpravidla souvisí také omezení výstupního proudu. Na hlučnost má vliv rovněž konstrukce motoru a provedení elektroinstalace.

Vzhledem ke skutečnosti, že okamžitá hodnota točivého momentu motoru je dána průběhem magnetického toku a fázového proudu, a proto, že proud je při napájení z měniče zatížen vyššími harmonickými, projeví se v tomto případě i vyšší zvlnění momentu. Zvlnění momentu závisí na konstrukci stroje, frekvenci a algoritmu šířkově pulsní modulace. Větší zvlnění momentu při napájení motoru z měniče frekvence nemá ve většině případů v podstatě žádný dopad, v ojedinělých případech se však může vyskytnout nebezpečí vzniku rezonance s mechanickými částmi zařízení.

Při napájení z měniče frekvence rostou ztráty motoru vlivem vyšších harmonických. Zvýšení ztrát závisí na konstrukci motoru, frekvenci a algoritmu šířkově pulsní modulace. Vzhledem k tomu, že z hlediska vyšších harmonických pracuje asynchronní motor v podstatě se skluzem s = 1, jsou tyto ztráty vlastně ztrátami nakrátko, tj. Jouleovými. Lze předpokládat, že se celkové ztráty motoru zvýší vlivem ztrát způsobených vyššími harmonickými řádově o jednotky procent. S tím je třeba počítat při dimenzování motoru a při návrhu jeho chlazení. V běžných aplikacích, kde je při dimenzování vždy uvažována určitá rezerva, nemusejí být zpravidla tyto ztráty zvlášť zohledňovány.

9. Odrušovací prostředky na výstupní straně měniče

Rozhodujícím kritériem pro použití odrušovacích prostředků na výstupu měniče je délka propojovacího kabelu mezi měničem a motorem. Je-li kabel kratší než 20 až 30 m, výstupní odrušovací prostředky se zpravidla nepoužívají. Při větších délkách kabelu je však použití výstupních odrušovacích prostředků vždy nutné. Nicméně i při menších délkách kabelu je třeba volit postup podle podmínek konkrétní aplikace.

Nepříznivé vlivy měniče na výstupu lze omezovat několika způsoby. První možností je zapojení výstupních tlumivek, které omezí strmost nárůstu napětí du/dt na svorkách motoru a velikost proudových a napěťových špiček. Při volbě indukčnosti výstupní tlumivky se pro daný měnič bere přibližně třetinová hodnota indukčnosti vstupní tlumivky.

Například při použití kabelu délky 150 m mohou dosahovat špičky napětí na motoru až 2,2násobku napětí meziobvodu, při vřazení tlumivky 0,42 mH se sníží du/dt na 200 až 300 V/µs a napěťové špičky na asi 1,7násobek napětí meziobvodu – na výrazné snížení špiček napětí motoru má vliv snížení strmosti nárůstu napětí du/dt pod 500 V/µs.

Obr. 5. Výstupní napětí sinusového filtru

Další možností omezení nežádoucích vlivů na výstupu měniče je zapojení filtrů du/dt. Jejich vliv je podobný jako při použití výstupních tlumivek. Tyto filtry jsou často dodávány výrobci měničů jako součást příslušenství. Filtry du/dt snižují strmost napětí pod 500 V/µs. Při použití filtru du/dt a napětí napájecí sítě 400 V nepřesahují přepěťové špičky na motoru 1 000 V.

Neúčinnějším výstupním odrušovacím prostředkem je sinusový filtr. Ten téměř beze zbytku eliminuje rušivé účinky šířkově pulsní modulace, tj. na výstupu sinusového filtru mají napětí (viz obr. 5) a výstupní proud v podstatě sinusový průběh. Kromě odstínění nežádoucích účinků působících na motor omezuje sinusový filtr výrazně i elektromagnetické rušení. Sinusový filtr je nejčastěji řešen jako g-článek s obvodem LC.

Například u sinusových filtrů pro motory s výkony řádově v jednotkách kilowattů se pohybuje indukčnost tlumivek na feritovém jádru v nenasyceném stavu v desítkách milihenry a kapacita kondenzátorů v jednotkách mikrofaradů. Je však třeba počítat s nezanedbatelným úbytkem napětí na sinusovém filtru, který může dosahovat až 10 %. Přestože je sinusový filtr vysoce účinný odrušovací prostředek, jeho použití není příliš běžné, a to pro poměrně vysokou cenu, která dosahuje až třetiny ceny vlastního měniče.

Tab. Srovnání výstupních odrušovacích prostředků

V tabulce je uvedeno orientační srovnání jednotlivých výstupních odrušovacích prostředků s ohledem na možnou délku propojovacího kabelu mezi měničem a motorem o výkonu 4 kW (délka kabelu závisí na druhu použitého odrušovacího prostředku). Případné větší délky propojovacího kabelu je třeba zohlednit při volbě a dimenzování odrušovacího prostředku.

10. Obecné zásady pro instalaci frekvenčně řízených pohonů z hlediska elektromagnetické kompatibility

Velký význam pro omezení rušivých vlivů má správné provedení stínění. Stínění využívá princip Faradayovy klece. V případě dokonalé Faradayovy klece není nutné její uzemňování. V ideálním případě dokonalého odstínění by Faradayova klec obepínala celou soustavu pohonu – motor, měnič i kabeláž (obr. 6). To v praxi není možné, a proto je v reálných případech snaha přiblížit se v maximální možné míře ideálnímu stavu.

Obr. 6. Ideální odstínění elektrického pohonu

Pro řídicí signály je třeba používat stíněné kabely a stínění spojovat se zemí na jednom nebo na obou koncích (volba jednostranného nebo oboustranného zemnění stínění je závislá na konkrétní aplikaci). Mezi motorem a měničem je nezbytné vždy používat stíněný silový kabel. Stínění se u tohoto kabelu spojí se zemí na obou koncích. Jedinou výjimkou je aplikace se sinusovým filtrem. V tomto případě se doporučuje použít stíněný kabel s oboustranně uzemněným stíněním mezi měničem a filtrem; mezi sinusovým filtrem a motorem již lze zpravidla použít nestíněný kabel. Je třeba mít na zřeteli, že stíněný kabel má větší parazitní kapacitu než nestíněný kabel. To se může při zapnutí pohonu negativně projevovat velkými špičkami nabíjecích proudů těchto kapacit. V případě, že je vzdálenost mezi vstupním odrušovacím filtrem a měničem větší než asi 30 cm, doporučuje se i pro tento silový spoj použít stíněný kabel s oboustranně uzemněným stíněním. Kabely mají být stíněny měděným opletením (stínění realizované např. uložením kabelu do trubky je nevhodné pro vysokou impedanci).

Při montáži v rozváděči je třeba zabezpečit co největší plochu vodivého styku měniče a montážní desky, tzn. že není vhodné používat lakované montážní desky či umísťovat měnič na sloupky. Při připojování stínění na konci kabelu je nutné dbát na co nejmenší přechodovou impedanci styku, tj. připojení musí být provedeno co největší plochou. Proto se doporučuje připojovat stínění přes kovovou průchodku nebo upevňovacím páskem.

Významným krokem k ochraně proti rušení je správné provedení elektroinstalace. Spolu související páry signálových vodičů mají být vedeny společně, odolnost proti zarušení se zvýší vzájemným spletením těchto vodičů.

V rozváděči je třeba prostorově oddělit silové a řídicí komponenty, tj. oddělit např. stykače, tlumivky, měniče od regulátorů, čidel a PLC. Prostorové oddělení je vhodné doplnit oddělením vodivou přepážkou. V rozváděči i mimo rozváděč je nutné, aby byly silové a řídicí vodiče prostorově odděleny na vzdálenost přibližně 20 cm. Souběh silových a řídicích vodičů by neměl činit více než asi 30 cm a jejich vzájemné křížení by mělo být provedeno pod úhlem 90°.

Je nutné důsledně dodržovat galvanické oddělení silových a řídicích obvodů. V případě rozsáhlejších systémů se galvanicky oddělují i jednotlivé řídicí podcelky. Pro galvanické oddělení řídicích signálů a signálů v měřicích soustavách jsou dodávány oddělovače pracující na optickém a magnetickém principu či na principu Hallovy sondy. Galvanické oddělení se doporučuje uplatňovat i mezi kostrou čidel a dalších konstrukčních částí pohonu. Pro zvýšení odolnosti proti zarušení je vhodné např. galvanicky oddělovat kostru čidla otáček či polohy od kostry motoru nebo zátěžného zařízení.

11. Příklady konkrétních problémů a jejich řešení

V následujícím odstavci je uvedeno několik konkrétních příkladů problémů, které se vyskytly ve spojení s provozem frekvenčně řízených pohonů. Jejich první skupina byla řešena ve zkušebnách a v laboratořích Fakulty strojní ČVUT v Praze, kde jsou frekvenčně řízené pohony často součástí technologického zázemí zkušebních pracovišť. Situace v oblasti elektromagnetické kompatibility těchto pohonů je navíc komplikována tím, že frekvenčně řízený pohon je provozován v blízkosti citlivých a přesných měřicích a zkušebních přístrojů. Druhá skupina prezentovaných problémů je z prostředí reálného provozu frekvenčně řízených pohonů.

Příklad 1
Speciální motor s velkou parazitní kapacitou
V laboratoři vodních strojů ČVUT v Praze bylo zprovozněno zkušební pracoviště se speciálně řešeným čerpadlem s integrovaným asynchronním motorem nakrátko. Motor je nedílnou součástí čerpadla, protéká ho čerpaná voda, a je tudíž speciálně zapouzdřen. Motor je napájen z měniče frekvence. Při provozu velmi často docházelo k poruchovým výpadkům měniče bezprostředně po zapnutí pohonu. Měnič při chybě hlásil zemní spojení. Speciálním přístrojem byly změřeny izolační odpory motoru i měniče, a nebyla shledána žádná závada. Při vyřazení kontroly zemního spojení v měniči pracoval pohon bez jakýchkoliv problémů. Příčinou poruchových hlášení byl vliv parazitní kapacity pohonu proti zemi. Zvýšená parazitní kapacita je v tomto případě evidentně dána speciální konstrukcí elektromotoru, neboť kabel mezi měničem a motorem má délku asi 3 m. Při zapnutí pohonu se tato kapacita nabíjela proudem, který byl měničem vyhodnocen jako proud zemního spojení. Řešením je zařazení tlumivek na výstup měniče, které omezí špičku nabíjecího proudu parazitních kapacit.

Příklad 2
Různá odolnost proti zarušení u podobných zařízení
V laboratoři částí strojů ČVUT v Praze je speciální stanoviště pro proměřování převodovek. Vstupní moment převodovky je vyvozován frekvenčně řízeným asynchronním motorem s otáčkovou regulační smyčkou. Na výstupu je soustava zatěžována frekvenčně řízeným asynchronním strojem s momentovou regulací, který pracuje v generátorickém režimu. Přesné hodnoty vstupního a výstupního momentu převodovky jsou snímány tenzometrickými hřídelemi. Výstupní signály tenzometrických hřídelí jsou zpracovávány počítačem s měřicí laboratorní kartou. Tyto signály jsou přiváděny do počítače stíněnými kabely. U signálu jednoho ze snímačů se projevovalo velké vysokofrekvenční zarušení, které neprobíhalo kontinuálně, ale v krátkých časových intervalech. Frekvence výskytu těchto intervalů se pohybovala řádově v jednotkách hertzů. Z takovéhoto charakteru rušení není zřejmé ani to, že by původcem mohla být šířkově pulsní modulace měniče, natož že došlo k zarušení signálu pouze u jednoho čidla. Nicméně po mnoha zkouškách bylo zjištěno, že rušení skutečně způsobuje měnič zatěžovacího stroje, protože nebyl mezi motorem a měničem použit stíněný silový kabel. Při použití stíněného kabelu se rušení výrazně omezilo, avšak stále nedosáhlo únosné úrovně. Rušení bylo sníženo na únosnou úroveň až po novém řešení vedení silových a signálových vodičů, kdy byly výrazně zvětšeny vzdálenosti mezi signálovým a silovým vedením. Tento příklad poukazuje na velkou důležitost a účinnost dodržování zásad uvedených v odstavci 10. Navíc je třeba zdůraznit velmi rozdílnou odolnost proti zarušení i u velmi podobných zařízení. V tomto případě nebyly se zarušením signálu jednoho tenzometrického snímače od začátku žádné problémy, zatímco u druhého snímače se i při dodržení všech prezentovaných zásad nepodařilo zarušení signálu zcela odstranit.

Příklad 3
Rušení nesouvisejících zařízení
V laboratořích spalovacích motorů ČVUT v Praze je instalován frekvenčně řízený pohon 22 kW s asynchronním motorem. Jde o pohon vývěvy pro vytváření podtlaku při výzkumu proudění. Motor i měnič jsou umístěny v suterénu a propojeny stíněným kabelem o délce asi 10 m. V podlaží nad touto technologií vývěvy je umístěna laboratoř spalovacích motorů, s jejímž provozem zmíněný pohon nesouvisí. V této laboratoři je instalována technika pro proměřování spalovacích motorů (např. čidla otáček, momentu, teploty apod.). Při provozu pohonu vývěvy byly signály z čidel v nesouvisející laboratoři spalovacích motorů znehodnoceny rušením měniče. Výrazné zlepšení nastalo po snížení spínací frekvence šířkově pulsní modulace měniče z 10 kHz na 2 kHz. Dále byly rušivé vlivy eliminovány po provedení důsledného stínění signálových vodičů v měřicí soustavě v laboratoři spalovacích motorů. Z tohoto příkladu je zřejmé, že je vhodné dodržovat již uvedené zásady řešení instalace i u zařízení, která jsou provozována v blízkosti frekvenčně řízeného pohonu, ačkoliv jejich funkce s tímto pohonem nijak nesouvisí. Dále je patrné, že při odstraňování rušivých účinků se vyplatí nejdříve vyzkoušet ty nejjednodušší způsoby (např. v uvedeném příkladě se situace značně zlepšila pouze přenastavením jednoho parametru měniče). Účinnost daného opatření však zpravidla nelze přesně odhadnout. V mnoha případech se např. změna spínací frekvence měniče na rušivých účincích vůbec neprojevila.

Příklad 4
Význam galvanického oddělení
V laboratoři automobilů ČVUT v Praze je instalováno stanoviště pro zkoušení automobilových převodovek s pohonem, který je osazen frekvenčně řízeným asynchronním motorem 22 kW. Motor je připojen k měniči stíněným kabelem o délce asi 5 m. Signály z čidel na stanovišti jsou vedeny do velínu vzdáleného zhruba 8 m, kde jsou přivedeny do počítače s měřicí laboratorní kartou. Jedním ze signálů, který je přiváděn do počítače, je také výstup pulsního čidla otáček. Tento signál je veden stíněným kabelem. Při provozu měniče byl signál čidla otáček silně zarušen a čítač na měřicí kartě počítače registroval enormní hodnoty otáček. Po řadě zkoušek a vyzkoušení mnoha opatření bylo zarušení odstraněno optickým oddělením signálu čidla otáček před vstupem do měřicí karty. Tento příklad poukazuje na velký význam galvanického oddělení v signálových vodičích.

Příklad 5.
Hledání i nestandardních řešení
Při rekonstrukci technologie řízení říčního jezu byl dosazen frekvenčně řízený pohon s asynchronním motorem 3 kW. Vzhledem k tomu, že vzdálenost mezi měničem a motorem činila asie použit sinusový filtr a nestíněný kabel mezi filtrem a motorem. Při spouštění pohonu docházelo k poruchovým výpadkům měniče. Měnič hlásil jako poruchu nadproud. Při zkouškách v laboratoři bez filtru pracoval pohon bez problému. Příčinou výpadků měniče byly nabíjecí proudy kondenzátorů filtru. Dimenzování filtru přitom korespondovalo s dimenzováním měniče. Po kontaktování výrobce měniče vyšlo najevo, že konstrukce měniče s použitím sinusového filtru nepočítá. Situace byla nakonec vyřešena dosazením jiného sinusového filtru s menší kapacitou kondenzátorů a větší indukčností tlumivek. Po této úpravě pohon dobře pracoval, avšak začalo se projevovat rušení kamerového systému, který byl instalován v sousedství pohonu. Zarušení kamerového systému bylo odstraněno dosazením výstupních tlumivek k sinusovému filtru. Z tohoto příkladu plyne, že při odstraňování problémů s nežádoucími účinky měničů frekvence je někdy nutné volit i dosti nespecifická řešení. Přestože je sinusový filtr považován za velmi účinný odrušovací prostředek, může se v konkrétní provozní situaci projevit jeho použití jako nedostatečné – v daném případě byla účinná až kombinace dvou výstupních odrušovacích prostředků.

Příklad 6
Problémy s proudovým chráničem
Současný trend širokého využívání ochrany proudovými chrániči je jistě pozitivním jevem. Ve spojení s měniči frekvence však bývá jejich použití velmi často problematické. Příkladem z praxe může být případ frekvenčně řízeného pohonu lyžařského vleku s asynchronním motorem 30 kW. V původním projektu se počítalo s proudovým chráničem. Při oživování pohonu však po zapnutí neustále docházelo k výpadkům proudového chrániče. Bylo vyzkoušeno několik opatření k odstranění tohoto stavu, ale nakonec muselo být od použití proudového chrániče upuštěno.

Příklad 7
Měnič v izolované soustavě s dlouhým přívodním vedením k motoru
Na II. železničním koridoru bylo koncem devadesátých let minulého století firmou AŽD, s. r. o., instalováno zabezpečovací zařízení nové generace. Jeho součástí jsou pohony přestavníků výhybek, které jsou spínány bezkontaktně se zvýšenou mírou zabezpečení proti nežádoucímu spuštění. Tyto pohony byly vyvíjeny ve spolupráci s Fakultou strojní ČVUT a jsou použity ve třech železničních stanicích. Vzhledem k tomu, že jde o velmi specifickou aplikaci, bylo během oživování i během provozu získáno velké množství zkušeností i v oblasti elektromagnetické kompatibility. Pohon přestavníku výhybky je realizován třífázovým asynchronním motorem nakrátko 380 V, 550 W s odporovou klecí. Vzhledem k požadavku na bezpečné bezkontaktní spínání byl ve funkci spínače a členu pro reverzaci použit běžný měnič frekvence, který byl ještě upraven pro zajištění potřebného stupně bezpečnosti provozu. Měnič je provozován ve specifických podmínkách: napájecí soustava je izolovaná a délka vedení mezi měničem a motorem je závislá na umístění výhybky v železniční stanici a může dosahovat až 1,2 km. Kabel mezi měničem a motorem je nestíněný.

Obr. 7. Struktura obvodu pohonu přestavníku

Elektromagnetická kompatibilita zařízení na straně sítě je zabezpečena síťovým filtrem a tlumivkami. Podstatně náročnější je zabezpečení elektromagnetické kompatibility na výstupu měniče. Jedinou možností bylo použití sinusových filtrů. Odrušení na výstupní straně měniče bylo měřeno a vyhodnoceno podle platných norem nezávislou firmou. Selektivním milivoltmetrem byla zjišťována velikost rušivého signálu v signálových vodičích vedených paralelně s vodiči pro napájení motoru, jakož i velikost rušivého signálu ve vzdálenosti 10 m od silového vedení. Délka vedení od měniče k motoru činila 1 km. Úroveň rušivých signálů nepřesáhla hodnoty stanovené normami, u mnohých frekvencí však byla úroveň rušivých signálů neměřitelná.

Použití sinusového filtru je v dané aplikaci nezbytné, avšak ani jeho použití nezabránilo výskytu některých rušivých jevů spojených s použitím měniče frekvence. Největším problémem byly parazitní kapacitní vazby měniče, kabelu a motoru, které se uplatňují i při použití sinusového filtru (obr. 7). Přes parazitní kapacity motoru se přenesl určitý potenciál na skříň přestavníku v kolejišti. Na plášti přestavníku se potom vyskytovalo nebezpečné napětí proti zemi, jehož velikost byla závislá na kvalitě odizolování skříně přestavníku od země. V nejnepříznivějších případech dosahovalo toto napětí hodnot až přes 100 V. Tento problém se podařilo vyřešit pospojováním uzlů kondenzátorů v sinusových filtrech a následným uzemněním takto pospojovaných uzlů. Toto propojení však aktivovalo činnost ochrany izolačního stavu, neboť proudový okruh této ochrany se uzavíral zemí přes vybíjecí odpory kondenzátorů sinusového filtru. Tento problém byl vyřešen odpojením středu vybíjecích odporů od středu kondenzátorů sinusového filtru. Po těchto úpravách byla provozována většina přestavníků bez problémů, pouze na několika pohonech se ojediněle a zcela náhodně vyskytovalo poruchové odstavení měniče při spuštění přestavování. Měnič v tomto případě hlásil chybu proudového přetížení při rozběhu. Ryze teoretické řešení zmíněného stavu bylo v tomto případě téměř nemožné, neboť celá soustava je z hlediska kmitočtů šířkově pulsní modulace velmi složitá. Složitost je dána zejména přítomností několika parazitních kapacit v soustavě, pravděpodobnými vlnovými jevy na přívodním kabelu k motoru a velkými strmostmi napětí na výstupu měniče frekvence.

Obr. 8. Průběh proudu v uzemnění uzlu kapacit sinusového filtru během přestavování výhybky

Ve stanici byla provedena na pohonu přestavníku série měření, při nichž byla zjištěna poměrně velká hodnota proudu, který se uzavíral uzemněným středem kondenzátorů sinusového filtru (viz obr. 8). O tento proud se zvětšuje výstupní proud měniče a při rozběhu pohonu tím roste pravděpodobnost, že bude překročena hodnota proudu, při které zaúčinkuje nadproudová výstupní ochrana měniče. Situaci podstatně zlepšilo zpomalení rozběhové rampy měniče a snížení počátečního napětí při rozběhu, ačkoliv tato opatření měla za následek zmenšení proudu motoru a částečné prodloužení doby přestavování. Občas se však výpadky pohonu přesto opakovaly, a proto byl na měniči nastaven požadavek automatického opakování pokusu o rozběh po poruchovém výpadku.

Problém nebezpečného dotykového napětí byl shledán i na straně měniče v rozváděčové skříni. Neživé části rozváděčové skříně jsou připojeny na ochranný vodič napájecí sítě. Neživé části měničů – zejména chladiče – však byly od těchto částí rozváděče izolovány, ale i na nich bylo naměřeno nebezpečné napětí. Proto byly tyto části měničů rovněž spojeny s ochranným vodičem. Poté se však začalo projevovat velké zarušení spouštěcích signálů měničů přicházejících na jejich logické vstupy – měniče nebylo možné těmito signály vypnout. U použitého měniče je vztažná potenciálová zem elektronické řídicí karty spojena přes kondenzátor s neživou částí měniče. Toto spojení má při napájení z běžné sítě zabezpečit ochranu řídicí karty před rušením. V případě izolované napájecí soustavy však byl účinek tohoto spojení opačný. Rušení vstupních signálů bylo eliminováno až po přerušení tohoto spojení, tj. po vyjmutí propojovacích kondenzátorů z měničů. V současnosti je provozováno všech přibližně 100 instalovaných pohonů bez závad, nicméně obava z množství problémů spojených s elektromagnetickou kompatibilitou tohoto řešení vedla firmu AŽD, s. r. o., k vývoji bezpečného bezkontaktního spínače pro pohony přestavníků na zcela jiném principu, bez šířkově pulsní modulace.

Z uvedeného příkladu je zřejmé, že nežádoucí účinky měničů frekvence se mohou větší měrou projevovat v izolované soustavě a ve specifických aplikacích. Jejich odstraňování je velmi náročné a zdlouhavé, zejména jde-li o podmínky reálného provozu. Nebrání-li tomu závažné důvody, doporučuje se proto provozovat frekvenčně řízené pohony v co nejstandardnější podobě.

12. Závěr

Ze sledování současných trendů v elektrotechnice je zřejmé, že problematika elektromagnetické kompatibility bude dále nabývat na aktuálnosti. Kromě zde uvedených standardních zásad pro instalaci a provoz frekvenčně řízených pohonů se zřejmě budou uplatňovat další postupy poplatné konkrétním aplikacím. Zároveň lze očekávat další zvyšování zájmu o tuto problematiku i v oblasti norem.

doc. Ing. Jaroslav Novák, CSc., je absolventem ČVUT FEL Praha. Po úspěšném absolvování studia oboru silnoproudá elektrotechnika v roce 1989 pokračoval ve studiu vědecké výchovy na katedře elektrických pohonů a trakce na téže fakultě. Od roku 1992 pracoval jako odborný asistent a od roku 2003 jako docent v Ústavu přístrojové a řídicí techniky Fakulty strojní ČVUT v Praze. V letech 1995 až 2001 úzce spolupracoval s firmou Elektrosystém Praha, s. r. o., při vývoji a využití elektrických pohonů a řídicích systémů v průmyslových aplikacích. Od roku 1998 spolupracuje s Dopravní fakultou Jana Pernera Univerzity Pardubice v oblasti elektrických pohonů a mikroprocesorového řízení v dopravní technice. Svou odbornou činnost zaměřuje zejména na oblasti elektrických pohonů, výkonové elektroniky, testování elektromechanických soustav a mikroprocesorového řízení.