Что такое перенапряжение двигателя

Стоп! Высокое напряжение?

1 января 2005

Постоянным читателям журнала «Энергосбережение» хорошо известно (см. статью «Проверенные решения становятся стандартом» №1, 2004), что компания АДЛ поставляет преобразователи частоты, мягкие пускатели, мониторы нагрузки на валу производства фирмы Emotron АВ, напряжением 220, 380, 500, 690 В и мощностями до 1 МВт. Стоп, ведь советская промышленность, а вслед за ней и российская, до последнего времени производила асинхронные электродвигатели, напряжением 380/690 В на мощности только до 400 кВт. Остальные двигатели, мощностью более 315 кВт, выпускались на напряжение 2, 3, 6, 10 кВ.

Раньше использование высоковольтного оборудования было оправдано относительно низкими токами и соответственно небольшими сечениями токопроводов. В настоящее время массовое производство низковольтных преобразователей частоты сделало их относительно дешевыми и доступными, но для высокого напряжения это далеко не так.

Существует несколько вариантов применения преобразователей частоты для асинхронных высоковольтных электродвигателей, но самый экономный вариант — замена высоковольтного двигателя на низковольтный (рис. 1). Да, на сегодняшний день российская промышленность идет навстречу потребителям и предлагает низковольтные двигатели до 1 МВт. Конечно, придется поставить еще и понижающий трансформатор, но это не представляет большой сложности. Использование такого варианта помогает оптимально решать проблемы в условиях, когда модернизация оборудования уже необходима, а средств на приобретение нового не хватает. Западноевропейский опыт подтверждает нашу точку зрения, ведь там высоковольтный привод встречается очень редко.

Рассмотрим систему высоковольтного электропривода с заменой двигателя подробнее. Во-первых, данная схема обеспечивает наилучшее соотношение массогабаритных показателей привода. Во-вторых, падение напряжения на участке преобразователь-двигатель будет минимальным. В третьих, использование ограничителя перенапряжения обеспечит защиту двигателя от перенапряжения и крутых фронтов тока. К преимуществам системы также можно отнести 100 % управляемость от 0 до 50 Гц и выше и отсутствие ограничений по длине кабеля двигателя. Однако «сердцем» и «мозгом» системы остается преобразователь частоты.

Если взглянуть на предлагаемые в России марки низковольтных преобразователей частоты, то их можно насчитать около трех десятков. Для потребителя есть определенная проблема выбора. В случае с фирмой Emotron АВ мы имеем линейку низковольтных преобразователей частоты типа FDU до 1 МВт. Этот преобразователь был специально разработан для механизмов с квадратичной нагрузкой (т. е. давление растет в квадрате от расхода). Приведем лишь основные отличия преобразователей частоты типа FDU от большинства имеющихся на российском рынке:

• Векторный расчет скорости позволяет оптимизировать магнитный поток асинхронного двигателя и добиться дополнительной экономии электро энергии.
• Алгоритм управления общий для всей серии, понятный и простой интерфейс пользователя (встроенный ЖК-дисплей и клавиатура).
• Встроенные фильтры ЕМС (электромагнитной совместимости). Дело в том, что любой преобразователь частоты является сильным источником радиопомех. Но есть методы для уменьшения величины этих помех, например: добавление дросселей на выходе преобразователя и укладка кабеля в металлорукав. Такие меры, конечно, снизят помехи, но в существующие нормы ЕМС все равно попасть не позволят. Большинство производителей преобразовательной техники экономит на дросселях и фильтрах (существует как опция), а преобразователь серии FDU имеет дроссель в цепи постоянного тока и фильтр радиопомех, что позволяет ему при подключении экранированным кабелем поддерживать индустриальный стандарт ЕМС.
• Металлический корпус преобразователя также можно отнести к преимуществам, особенно для российских условий эксплуатации.
• Специализированная функция управления группой электродвигателей (pump option) позволяет стандартному преобразователю, без использования дополнительного контроллера, управлять группой до трех насосов, а с дополнительной платой расширения — до семи.
• Наличие дополнительного контроля нагрузки на валу асинхронного электродвигателя позволяет предотвратить не только заклинивание, но и сухой ход, холостой ход, обрыв муфты насоса и обрыв ремня вентилятора. Эта функция позволяет отказаться от установки дополнительных реле давления, перепада давления или потока.
• Встроенный вход для термодатчиков РТС позволяет дополнительно контролировать температуру электродвигателя. Например, это может быть актуально в насосах, перекачивающих горячую воду, или вентиляторах котельных.

В результате получился достаточно простой и функциональный преобразователь (и как ни стран но относительно дешевый).

Иногда высоковольтный электропривод представляет собой группу электродвигателей, например сетевые насосы. В таких случаях к решению проблемы лучше подходить комплексно, рассматривая группу как единое целое. Если взять за основу утверждение, что чем меньше двигатель, тем меньше минимальное потребление электроэнергии, то иногда имеет смысл поменять один большой насос на два меньшей мощности и производительности.

Таким путем уже давно идут известные производители насосных станций повышения давления, где стандартное количество насосов часто превышает 3 шт. Последовательный ввод в работу насосов в одной группе называется каскадным управлением. Обычная схема каскадного управления строится следующим образом: один преобразователь частоты контролирует один насос и наблюдает за изменением давления всей системы. В случае если производительности этого насоса не хватает, последовательно включаются остальные. Однако пуск каждого следующего насоса будет вызывать гидроудар. Чтобы избежать этого, мы рекомендуем устанавливать мягкие пускатели.

Кроме того, энергосберегающий эффект от установки мягких пускателей, которые не имеют возможности регулировать производительность насосов/вентиляторов, может составить до 10 % от потребляемой электроэнергии, за счет небольшого снижения напряжения (см. статью «Мягкие пускатели: что будем экономить?» № 4, 2002). В системах с постоянным мастером (преобразователь частоты всегда работает с одним насосом, без переключения на другие) использование мягких пускателей позволяет полностью отказаться от контакторов или магнитных пускателей, изза ненадежности которых и происходит большинство отказов.

Подводя итоги, хочется отметить, что было бы неправильно считать, что проекты с низковольтными двигателями мощностями более 250 кВт редкий случай. Исторически сложилось так, что с преобразователями частоты такой мощности от фирмы Emotron AB знакомы в основном в нефтегазовой отрасли, где эксплуатируются преобразователи от 250 до 630 кВт напряжением 380 В и 800 кВт – 690 В. Например, Славнефть имеет насосную станцию на 315 кВт и два 250 кВт, 380 В. Водоканалы и тепловые сети все чаще обращают внимание на низковольтное решение: два преобразователя частоты на 250 кВт установлены водоканалами Свердловской области, 315 кВт — тепловыми сетями Владивостока. Эти данные позволяют оптимистически оценивать перспективы использования низковольтныхпреобразователей мощностью более 250 кВт и до 1 МВт.

Рекомендации по выбору длин кабелей, соединяющих частотный преобразователь и электрический двигатель

В связи с большим количеством вопросов связанных с выбором длин кабелей между частотными преобразователями и асинхронными, и синхронными электродвигателями, сотрудники ООО «КоСПА» (сервисного центра YASKAWA), подготовили статью, затрагивающую как теоретические, так и практические аспекты, связанные с данным вопросом. При написании статьи были использованы материалы www.yaskawa.com.

Выбор длины кабеля между ПЧ и двигателем

Общая теория частотного регулирования

Преимущества использования частотных преобразователей (преобразователей частоты, ПЧ, частотников, инверторов) включают в себя: увеличение экономии энергии при использовании в высоковольтном сегменте, превосходное управление скоростью и моментом, а также более современное обеспечение защиты двигателя. Преобразователи частоты эволюционировали от схем, состоящих из Дарлингтоновых пар транзисторов (усилители на биполярных транзисторах), до современных IGBT-транзисторных модулей. Уникальные особенности IGBT-транзисторов, такие как снижение энергозатрат на переключение, значительно увеличили производительность и сделали возможным уменьшение габаритных размеров преобразователей частоты.

Однако было замечено, что двигатели, которые безотказно работали в течение длительного времени от сети, внезапно выходили из строя спустя несколько недель после установки частотного преобразователя. Такой вид аварии, обычно обуславливается выходом из строя обмотки двигателя из-за перенапряжения. Точнее, авария происходит и из-за короткого замыкания фаз между собой, и из-за замыкания фазы на корпус. Исследования показали, что возможность быстрого переключения IGBT-транзисторов, в совокупности с чрезмерной длиной кабеля между двигателем и преобразователем частоты способны значительно снизить срок жизни двигателя.

Чтобы понять, почему преобразователь частоты может стать причиной более быстрого выхода из строя двигателя, необходимо рассмотреть два явления. Первым является отраженная волна, по -другому явление стоячей волны, вторым – перенапряжение (перерегулирование напряжения при коммутациях), также известное как условие резонансного контура. Теоретически эти два явления могут быть рассмотрены по-разному, но на практике решение по их устранению одинаково.

Отраженная волна. При рассмотрении длины кабеля в качестве линии электропередач, следующая формула может быть применена при расчете критической длины, или длинной линии, где имеет место отражение волны напряжения. Критическая длина кабеля определяется формулой:

где, -скорость нарастания волны (мc), м/c –скорость света в вакууме, -приблизительная распределенная индуктивность кабеля, -время нарастания импульса напряжения, -длина кабеля.

Следующее уравнение соотносит время включение IGBT- транзистора и максимальную длину проводящей линии (кабеля):

При превышении этого значения длины возможно возникновение явления стоячей волны. При увеличении периода ШИМ преобразователя частоты с 0,1 мс до 0,3 мс, минимальная длина необходимая для перенапряжения, возрастет с 16 до 48 м.

Перенапряжение (перерегулирование напряжения). Более точное описание того, что происходит в двигателе, выглядит следующим образом. Перенапряжение (дребезг) это функция энергии, запасенной в проводнике, в течение времени нарастания каждой выходной пульсации напряжения (ШИМ). В то время, как распределенная индуктивность – особенность длинного проводника, лежащего между двигателем и преобразователем. Индуктивность увеличивает время, необходимое для зарядки емкости двигателя, что в свою очередь приводит к увеличению запаса энергии в линии. Когда двигатель все же заряжается до необходимого потенциала, оставшаяся энергия линии продолжает подзаряжать двигатель, увеличивая значения потенциала обмоток, способствуя возникновению перенапряжения. Фактически, при достаточно большой длине проводника (кабеля), к обмотке двигателя может быть приложено двойной напряжение звена постоянного тока частотного преобразователя. Т.е. чем больше расстояние между двигателем и преобразователем, тем больше перенапряжение. Однако, некорректно утверждать, что перенапряжение пропорционально длине кабеля. Максимальное значение перенапряжения можно рассчитать:

где, Vmax-максимальное напряжение сети, — максимальное напряжение звена постоянного тока, — максимальное значение перенапряжения.

В типовых системах на 460В, максимальное перенапряжение на клеммах двигателя может достигать 1500 В. Почти 80% этого напряжения распределяется по первичной обмотке двигателя.

Время включения IGBT-транзисторов разработано с целью возможности влияния на перенапряжение. Если ключи переключаются достаточно медленно, емкость двигателя имеет возможность зарядиться, а после этого разрядиться в линию. Однако, при увеличении скорости переключения, напряжение, прикладываемое к линии, увеличивается, значении запасенной энергии возрастает, и, как следствие возрастает перенапряжение.

Это объясняет, почему 6-ступенчатые, медленные по сравнению с современными, преобразователи, использующие технологию Дарлингтона (усилитель) редко встречались с проблемой перенапряжения при той же длине кабеля. Также важно отметить, трехфазные двигатели на 230В в достаточной мере защищены от пробоя в следствие перенапряжения, благодаря существующему стандарту изоляции.

5-е поколение IGBT ПЧ

4-е поколение IGBT ПЧ

3-е поколение IGBT ПЧ

1-е поколение IGBT ПЧ

Запираемый тиристор (GTO)

Возникающие проблемы

Явление коронного разряда

Для того, чтобы понять, почему перенапряжение столь губительно для двигателя, необходимо рассмотреть явление коронного разряда. Представим, что между проводниками с током существует относительный потенциал, который создает электрическое поле. Напряженность электрического поля вокруг проводников может быть достаточной для осуществления пробоя воздуха. Так как энергии электрического поля достаточно для ионизации кислорода (O2), чтобы осуществить его перехода в озон (O3), происходит пробой. Озон представляет собой высокоактивный элемент, поэтому он незамедлительно вступает в реакцию с органическими компонентами изоляции. А примеси кислорода в этой системе способствуют разрушению изоляции. Явление коронного заряда происходит, когда потенциал проводников достигает некоторого порогового значения, называемого начальным напряжением коронного заряда. Начальное напряжение коронного заряда зависит от расположения проводников, типа изоляции, температуры, особенностей поверхности и влажности.

Если у двигателя нет соответствующей изоляции, он может выйти из строя раньше срока. Предполагается, что двигатель, управляемый с помощью частотного преобразователя, произведён с изоляцией класса F или выше, а также имеет фазовую изоляцию.

Генерация радиочастотных и электромагнитных помех

Значение электрического шума, вырабатываемого проводниками на выходе преобразователя частоты, также зависит от длины используемого кабеля. Во избежание возникновения помех, необходимо экранировать кабель при установке соединения. Если осуществить это не получается, необходимо использовать фильтрующие устройства для снижения индуктивных помех.

Защитное отключение двигателя

В некоторых ситуациях возможно создать условия, при которых преобразователь частоты защитит себя от Замыкания на Землю (Ground Fault) или от перегрузки по току (Over Current). Эти аварии происходит в ситуациях, когда множество кабелей прокладывают в непосредственной близости друг к другу, без соответствующей изоляции. Используя основные законы физики, можем доказать, что ток, протекающий по одному проводу, наводит напряжение на другой, так же, как и ток протекающий по другому проводу наводит напряжение на этот провод. Имея множество проводников в непосредственной близости, могут возникнуть условия, когда неравные потенциалы и токи могут навестись в разных фазах привода, результатом может стать замыкание на землю.

Также известно, что емкость между фазами и емкость между фазой и землей возрастает при увеличении длины проводника. Поэтому возможно возникновение ошибки перегрузки по току в течение времени заряда фазных емкостей и емкостей фазы относительно земли.

Если виды этих защитных отключений встречаются довольно редко, то эти ситуации можно обойти, правильно установив оборудование. Если это уже сделано, возможно улучшить ситуацию, применив фильтрующие устройства.

Решение проблем

Снижение длины проводника

Для снижения вероятности возникновения чрезмерного перенапряжения на клеммах двигателя, необходимо, чтобы длина кабеля, соединяющего преобразователь с двигателем была меньше 45 м. Также хорошим вариантом будет снизить несущую частоту ШИМ преобразователя, что, в свою очередь непременно скажется на шуме двигателя, но снизит число выходных импульсов напряжения в секунду, увеличив срок жизни двигателя и уменьшив нагрев IGBT-транзисторов.

Специальный двигатель для частотного регулирования

Простейшим и наиболее выгодным решением является использование специального двигателя для частотного регулирования. Стандарт NEMA Standart MG-1, устанавливает, что такие двигатели должны быть способны выдержать 1600 В импульсного напряжения, продолжительностью 0.1 мс или более, для двигателей класса напряжения 600В и менее. Если двигатель правильно спроектирован и соответствует этому стандарту, то можно расчитывать на безотказную работу в течение длительного времени при любой длине кабеля.

Трехфазный выходной реактор (дроссель)

Реактор расположенный на выходе преобразователя, снижает градиент напряжения, прикладываемый к обмоткам двигателя. Время нарастания импульса снижается до 1,1 мс, таким образом снижая dV/dt до 540В/мс. Это в свою очередь эквивалентно времени переключения Дарлингтоновской схемы, используемой в прошлом, а, следовательно, очень эффективно для продления жизни двигателя. Выходной реактор решает приблизительно 75% проблем, связанных с преждевременным выходом из строя двигателя, из-за большой протяженности кабеля. Обычно используются реакторы с 3% и 5% импедансом (входным сопротивлением). При полной нагрузке приблизительно от 3 до 5 % выходного напряжения спадет на реакторе. Однако, если возникает сомнения относительно развиваемого момента электродвигателем, его необходимо проверить при максимальной скорости.

При наличии возможности разместите выходной реактор максимально близко к электродвигателю. Это позволяет увеличить длину кабеля до 198 м без влияния на производительность двигателя. В этом случае реактор может начать изнашиваться, но выход из строя дросселя займет значительно большее время, чем двигателя при тех же условиях. Однако это может стать одним из наиболее эффективных и бюджетных решений, особенно если речь идет о электродвигателях с плохой изоляцией, которые зачастую встречаются в погружных насосах.

Для обеспечения безотказной работы при длине до 610м при недостаточном классе изоляции двигателя, необходимо использовать специально разработанные выходные фильтры. Эти фильтры разработаны для устранения высших гармоник, возникающих из – за ШИМ, а также для снижения времени импульса до 1,2 мс. Это обеспечивает чистый ШИМ- сигнал на клеммах двигателя.

Тормозной резистор и тормозной прерыватель

Преобразователь частоты может осуществлять остановку или торможение двигателя. Существует
несколько вариантов остановки двигателя:

• — Остановка на выбег, аналогично отключению двигателя от сети питания. При этом время остановки не регулируется и зависит от инерции нагрузки и самого двигателя.
• — Торможение постоянным током останавливает двигатель без контролируемого темпа замедления, при этом снимается переменное напряжение со статора двигателя и затем подаётся постоянное напряжение. Этот метод позволит сократить время остановки механизма в сравнении с остановкой на выбег, но это вариант имеет ограничения, т.к. в роторе двигателя рассеивается большое количество энергии в виде тепла.
• — Генераторное торможение, при котором преобразователь частоты снижает выходную частоту с заданной интенсивностью, а двигатель переходит в генераторный режим, преобразуя кинетическую энергию вращения в электрическую.

В случае, когда требуется время остановки меньше, чем время остановки приводимого двигателем механизма по инерции, двигателю требуется создать тормозной момент. Преобразователь частоты может создать тормозной момент порядка 20% от номинального момента двигателя, этого как правило достаточно для остановки неинерционных нагрузок или когда нет ограничения по времени остановки.

В случае с нагрузками, обладающими высокой инерцией (кинетической энергией) или слишком коротким временем торможения, двигатель может перейти в генераторные режим работы, в результате которого возникает рекуперация энергии нагрузки. Рекуперация энергии приводит к перенапряжению в звене постоянного тока преобразователя частоты.

Для предотвращения перенапряжений в звене постоянного тока преобразователя частоты и рассеивания энергии рекуперации необходимо использовать тормозные резисторы, которые рассеивают избыточную электрическую энергию в виде тепла.

Для коммутации тормозного резистора к звену постоянного тока преобразователя частоты применяют тормозной прерыватель (тормозной модуль), он включается, когда уровень напряжения в звене постоянного тока ПЧ превысит заданный уровень. Как правило, преобразователи частоты небольшой мощности имеют встроенный тормозной прерыватель, в этом случае тормозной резистор подключается напрямую к преобразователю частоты (см. Рис.1)

Рис.1 Подключение тормозного резистора к преобразователю частоты с встроенным тормозным прерывателем Для подключения тормозного резистора к преобразователям частоты большой мощности, потребуется внешний тормозной прерыватель. Тормозной прерыватель подключается к преобразователю частоты на клеммы звена постоянного тока, а тормозной резистор непосредственно к тормозному прерывателю (см. Рис.2).

Рис.2 Подключение внешнего тормозного прерывателя и тормозного резистора к преобразователю частоты.

Параметры тормозного резистора (сопротивление и мощность) зависят от максимальной энергии выделяемой приводом в момент торможения, а так же от допустимого тока тормозного прерывателя.

Что такое перенапряжение двигателя

Модель: AS620

Данная модель преобразователя частоты AS620 предназначена для строительных лифтов, ввиду сложности установки и интегрирования на строительных объектах преобразователь имеет различные методы установки частоты. Для удобного размещения на строительных объектах преобразователь частоты компактен, отлично защищен от воды, пыли, и механических ударов, автоматически определяет подключенные приборы при запуске и широкий диапазон входного напряжения.

В частотном преобразователе предусмотрена функция автоматического регулирования частоты, это позволяет обеспечить постоянным выходным напряжением в условиях, когда частые колебания в электросети. Данный преобразователь частоты отличается от других преобразователей повышенной надежностью, отличным управлением двигателя и быстрой инсталляцией в среде работы.

Преобразователь частоты имеет низкий уровень шума, и низкие потери в двигателях благодаря используемому методу компенсации мертвого времени ШИМ. Для ограничения доступа посторонних к управлению частотного преобразователя, системой безопасности предусмотрена аутентификация по логину и паролю.

Преобразователь частоты для строительных лифтов разработан на шине с низкой индуктивностью, с функцией скачкообразной регулировки частоты для эффективного предотвращения резонанса механических нагрузок, и функцией слежения за скоростью вращения для плавного запуска вращающего мотора.

Преобразователь частоты способен обеспечить электродвигатель постоянной скоростью благодаря функции потери меди.

Дополнительно преобразователь частоты имеет ряд защитных функций, таких как:

• Защита клемм
• Высокоточное обнаружение и защита силы тока
• Оповещение о перегреве
• Полная защита машины

Список моделей преобразователя частоты для строительных лифтов

Примечание: за информацией по высоко мощным и высоковольтным преобразователям частоты для строительных лифтов, используемых в 4-полюсных электроприводах (1500 об./мин), пожалуйста, свяжитесь с компанией STEP Corporation. Обязательно проверьте паспортную табличку электродвигателя, чтобы убедиться, что выбранный преобразователь подходит двигателю.

Технические характеристики преобразователя частоты для строительных лифтов