Устройства дифференциального тока на питающих напряжениях преобразователей частоты
Синфазное напряжение (CMV) в преобразователе частоты является паразитным эффектом широтно-импульсной модуляции инвертора. CMV вызывает паразитные токи заземления конденсаторов в системе защиты электропривода от удара. Частота токов заземления зависит от схемы переключения ШИМ инвертора и начинается от нескольких килогерц. Паразитный ток заземления протекает через защитный провод системы PE к трансформатору и достигает нескольких ампер в приводах с длинными кабелями двигателя. Авторские исследования показали, что высокочастотный паразитный ток не обнаруживается устройствами защитного отключения.
По мнению автора, независимо от типа устройства защитного отключения (AC, A или B), они не должны использоваться в качестве технических средств дополнительной защиты для обнаружения замыканий на землю на стороне двигателя преобразователя частоты. Замыкания на землю на стороне двигателя преобразователя частоты — это замыкания на землю в кабеле двигателя или двигателе. В приводных системах с преобразователями частоты устройства защитного отключения, независимо от их типа и конструкции [1], не должны быть чувствительны к токам заземления, вызванным общим напряжением повреждения инверторов, в противном случае они могут помешать работе преобразователя частоты.
Емкостные паразитные токи заземления (CM), вызванные синфазным напряжением, имеют частоту, которая зависит от частоты переключения силовых элементов инвертора (IGBT, GTO и т. Д.).
На рисунке 1 представлена общая схема системы электропривода с преобразователем частоты , на которой отмечены токи утечки, протекающие через вторичную обмотку сетевой системы трансформатора типа TN [2]. В статье не будут обсуждаться токи дифференциального искажения (DM), вызванные паразитными межфазными емкостями, так как они не влияют на работу устройства дифференциального тока.
Емкостные токи общего замыкания протекают через суммирующий трансформатор тока (катушку Ферранти) автоматического выключателя и не отключают его. Обычные электромагнитные токи заземления не вызывают ее активации электродвижущей силой в катушке Ферранти. Свойство обычных токов помех инвертора, не влияющих на катушку Ферранти, позволяет приводам работать с преобразователями частоты.
Общие возмущающие напряжения инвертора с классической модуляцией ширины MSI
Напряжение замыкания на землю инвертора имеет самую низкую частоту, значение которой определяется частотой модулированного сигнала cc (например, симметричной треугольной волны), то есть порядка нескольких килогерц. Спектр этого напряжения включает нечетные гармоники несущей и боковые полосы, так называемые интергармоники, которые сгруппированы вокруг четных и нечетных высших гармоник несущей (модулированной) волны. Характер амплитудного спектра напряжения обычных помех (замыкание на землю) показан на рисунке 2 . Он представляет собой амплитудный спектр общего возмущающего напряжения, которое возникает около номинального значения напряжения питания двигателя, то есть при коэффициенте глубины модуляции инвертора MSI, близком к единице.
Для иллюстрации механизма генерации общего возмущающего напряжения двухуровневого инвертора с классической модуляцией MSI графическая структура этого напряжения представлена на рис . На рисунке 3 коэффициент глубины модуляции MSI равен M = 0,9. На основе ширины модуляции MSI ( рис. 3a ) получены соответствующие рабочие состояния силовых полупроводниковых вентилей инвертора. Двухпозиционная работа силовых клапанов инвертора (вкл. — выкл.) Определяет временные характеристики фазных напряжений U NU , U NV , U NW, генерируемых в инверторе. Фазные напряжения U NU , U NV , U NWобмотки статора двигателя находятся под напряжением. Используя символы с рисунков 1 и 3 , действующее значение напряжения общих возмущений инвертора U CM можно описать соотношением (1):
Формула 1
На рисунке 3a синусоидальные волны, управляющие переключением силовых элементов в отдельных фазах инвертора, обозначены как S1, S2 и S3, а треугольная несущая волна модуляции обозначена как T1. Из сигналов управления получают фазные напряжения инвертора, которые на рисунке 2b обозначены как U NU , U NV и U NW . Как показано на рисунке 3c , геометрическая сумма фазных напряжений инвертора определяет характер напряжения инвертора, вызывающего возмущения заземления U CM.. Сумма фазных напряжений инвертора не равна нулю, поэтому при нормальных условиях работы инвертора на кабель двигателя и двигатель воздействует высокочастотный генератор искаженного напряжения (напряжение общего напряжения), который вынуждает паразитные токи заземления в системе защиты привода преобразователя (PE-провод). Это иная ситуация по отношению к питанию привода напрямую напряжениями, полученными от трехфазного трансформатора, где при симметрии синусоидальных фазных напряжений трансформатора их сумма всегда равна нулю. Возникновение напряжения нулевой последовательности трансформатора указывает на отсутствие симметрии на стороне питания и является ненормальным состоянием работы трансформатора.
Обычное возмущающее напряжение инвертора MSI меняет свою форму в зависимости от значения коэффициента глубины модуляции M. Коэффициент глубины модуляции M близок к нулю при низкой скорости вала двигателя и близок к единице при номинальной скорости вала двигателя. Изменение значения коэффициента глубины модуляции M изменяет форму общей формы волны возмущающего напряжения. Для коэффициента глубины M, близкого к значению нуля, обычное напряжение возмущения имеет форму, подобную прямоугольной волне с пульсацией по c. Напряжение замыкания на землю принимает форму прямоугольной волны из-за значения амплитуды синусоидального модулирующего напряжения, близкого к нулю. При нулевой амплитуде синусоидального модулирующего напряжения сдвиг фаз между отдельными прямоугольными фазными напряжениями, питающими двигатель, исчезает. Тогда скорость вращения вала двигателя равна нулю, даже если фазные напряжения на двигателе имеют среднеквадратичное значение 280 В, когда на преобразователь частоты подается напряжение 3’400 В.рис. 4а ).
Photo by Tim Mossholder on Unsplash
Для M, близкого к единице (работа двигателя при номинальном напряжении), обычное возмущающее напряжение имеет форму волны напряжения более сложной формы, как показано на рисунке 4b . При M, близком к единице, доля основной гармоники с пульсацией wc в общем напряжении возмущения почти в два раза меньше, чем в прямоугольной волне (т. Е. При M, близком к нулю). На рисунке 4 показаны осциллограммы коэффициента возмущения общего напряжения с глубиной модуляции M = 0,1 и M = 0,9.
Синусоиды модулирующих напряжений, отмеченные на рисунке 4 , также являются основными гармониками фазных напряжений инвертора, которые управляют вращением вала двигателя (в зависимости от частоты) и током двигателя (в зависимости от амплитуды). Частота модулирующей синусоидальной волны 50 Гц для M = 0,1 вместо низкой частоты, например 5 Гц, использовалась для улучшения читаемости ( рис. 4a ). Форма волны напряжения на землю при M = 0,1 будет одинаковой для частоты модулирующей синусоиды 5 Гц и 50 Гц.
Паразитное напряжение обычных помех с прямоугольной волной и пульсацией при c (M = 0) вызывает токи заземления с эффективным значением примерно в 2 раза выше, чем обычное напряжение помех при M = 1. Отсюда следует, что токи замыкания на землю, протекающие в нейтральная точка трансформатора N ( рис. 1 ) сети TN, питающей преобразователь частоты, примерно в два раза выше для двигателей с частотой вращения вала, близкой к нулю, по сравнению с двигателями со скоростью, близкой к номинальной.
Амплитудный спектр напряжения помех, общих для коэффициента глубины модуляции MSI со значениями M = 0 и M = 1, показан на рисунках 5a и 5b .
Сравнение обычных амплитудных спектров возмущающего напряжения, представленных на рисунках 5a и 5b, показывает, что:
- при скоростях вала двигателя, близких к нулю (M = 0), резистивные токи заземления будут примерно в 2 раза выше, чем при номинальных скоростях вала двигателя (M = 1).
- при скоростях вращения вала двигателя, близких к номинальному значению (M = 1), токи замыкания на землю резистивных коротких замыканий содержат интергармоники, расположенные как на четных, так и на нечетных кратных частоте переключения силовых вентилей инвертора,
- Наличие интергармоник в общем возмущающем напряжении инвертора делает невозможным применение теории распределения несимметричного трехфазного напряжения на нулевые составляющие для анализа этого напряжения. Модуляция MSI инвертора приводит к тому, что фазные напряжения инвертора (рис. 3b) изменяют свои значения ступенчато, а содержание гармоник с пульсацией синусоидальных модулирующих напряжений в с (рис. 3a) является максимальным для коэффициента глубины модуляции M = 1 и их взаимный фазовый сдвиг составляет 120 °. При M = 0 гармоники с пульсациями синусоидальных напряжений, модулирующих по s, исчезают , а фазовые напряжения состоят из прямоугольных сигналов с пульсациями по c и отсутствуют взаимные фазовые сдвиги.
Величина амплитуды общего возмущающего напряжения двухуровневого инвертора MSI в зависимости от срабатывания силовых вентилей может быть описана уравнением (2), которое указывает ступенчатый характер изменения общего возмущающего напряжения [3, 4]:
Формула 2
где:
- пассивные векторы V 0 означает открытое состояние всех клапанов верхней мощности инвертора — состояние (0, 0, 0), а V7 означает состояние короткого замыкания всех клапанов верхней мощности инвертора — состояние (1, 1, 1 ),
- Активные векторы (V 1 –V 6 ) обозначают рабочие состояния силовых вентилей инвертора, в которых верхние 1 или 2 силовых клапана закорочены, и энергия от конденсаторной батареи передается на двигатель.
Ступенчатые изменения общего возмущающего напряжения, описываемые уравнением (2), заставляют импульсные токи земли в системе защиты привода с преобразователем частоты. Импульсы тока земли возникают в моменты резких изменений напряжения обычных помех. Чем больше действующее значение высокочастотных токов на землю, тем больше паразитные емкости кабеля двигателя и двигателя на землю.
Экранированные кабели трехфазных двигателей имеют значительную пропускную способность между фазными проводниками и экраном кабеля и, следовательно, могут представлять опасность поражения электрическим током при прерывании заземления экрана. Ток заземления, вызванный общим возмущающим напряжением инвертора MSI, протекает через паразитную емкость заземления между фазными проводниками кабеля двигателя и заземленным экраном. В приводах переменного тока с экранированными кабелями двигателя с поперечным сечением 3–95 мм 2 и длиной около 100 м высокочастотные токи утечки на землю могут достигать значений в несколько ампер.
Устройство защитного отключения при питании привода от преобразователя частоты
В научно-технической литературе [5, 6, 8] можно найти различные позиции авторов, обсуждающих целесообразность использования УЗО в приводных системах с промышленными преобразователями частоты. Например, в исследовании [5] автор рекомендует с большой осторожностью выбирать устройство защитного отключения для защиты цепей с преобразователями частоты привода. Цитируя автора [5]: «К сожалению, за редким исключением — каталоги производителей не содержат информации о рабочих характеристиках УЗО на частотах, отличных от 50/60 Гц», точно подобрать УЗО обычно не представляется возможным. .Рисунок 6 . Автор в [6] исследовал работу устройств защитного отключения путем принудительного замыкания на землю в одной фазе напряжения инвертора, фазное напряжение — от лабораторного генератора MSI. Эти исследования полностью подтвердили цитируемую здесь работу [5].
Промышленные преобразователи частоты [7] обычно имеют встроенную систему защиты от замыканий на землю фазного напряжения инвертора, однако работа инвертора останавливается, когда токи на землю достигают примерно 10% от номинального значения тока преобразователя частоты. Это не защита, которую можно определить как защиту от поражения электрическим током. Из-за воздействия на паразитные емкостные токи заземления общим напряжением инвертора такие чувствительные защиты здесь не могут использоваться.
Результаты, полученные в работах [5, 6], могут быть распространены на выводы, касающиеся паразитных токов замыкания на землю на стороне двигателя инвертора. Инверторы IGBT промышленных преобразователей частоты средней мощности (от 10 кВт до 200 кВт) работают с частотами переключения в диапазоне 3–16 кГц, обычно 4,5 кГц. Инверторы с преобразователем частоты в приводах большой мощности (от 200 кГц до 1500 кВт) из-за необходимости минимизировать динамические потери работают с более низкими частотами переключения силовых транзисторов, то есть в диапазоне от 3 кГц до 5 кГц, обычно 3,5 кГц [ 7].
В системе привода с низковольтным преобразователем средней мощности с неэкранированным кабелем двигателя и при условии, что преобладающая емкость заземления двигателя составляет 10 нФ, можно ожидать паразитных токов на землю в 100 мА. В приводных системах с экранированными кабелями двигателя емкости заземления обычно преобладают между фазными проводниками и экраном кабеля двигателя. Эти емкости в приводах средней и большой мощности достигают значений в несколько десятков нанофарад [9]. Большие паразитные емкости заземления экранированного кабеля двигателя приводят к возникновению высокочастотного емкостного тока заземления, который течет по проводнику защитного заземления и достигает среднеквадратичного значения в несколько ампер.
Из рисунка 6. [5] указывает, что некоторые характеристики схемы DA1 позволяют привод с преобразователем частоты, он не реагирует на токи короткого замыкания с частотами выше 400 Гц. Использование устройства защитного отключения с характеристикой I DA2 может предотвратить питание привода с преобразователем частоты, даже если двигатель подключен к преобразователю частоты неэкранированным кабелем двигателя.
Использование УЗО в промышленных приводах с преобразователями частоты — не лучшая инженерная практика. Автор излагает позицию, что использование других технических и организационных средств защиты от поражения электрическим током более оправдано и целесообразно в приводах с частотными преобразователями [8].
Для проверки отсутствия срабатывания УЗО были проведены лабораторные испытания привода с промышленным преобразователем частоты. Система привода, показанная на рисунке 1, питалась от электросети с трансформатором с сетевой системой TN. Промышленный преобразователь частоты малой мощности питался от лабораторного стендового распределительного щита, оборудованного устройством дифференциального тока: I Dn = 30 мА, типа переменного тока, мгновенного действия ( рис . 7а ). Высокочастотные токи заземления в защитном проводе PE, протекающем к трансформатору, измеряются с помощью зонда, прикрепленного к защитному проводнику PE ( рис . 7a ). Нагрузка на промышленный преобразователь частоты (f c = 5 кГц) представляет собой маломощный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором ( рис . 7б ). Конденсаторы емкостью 3´20 нФ (внизу, рис. 7b ) подключаются к фазным клеммам двигателя , которые эквивалентны проводу емкости заземления — экран, в экранированном кабеле двигателя длиной 100 м. ´10 кВт), подключенном к клеммы фаз двигателя (вверху, рис. 7b ).
Обычное возмущающее напряжение промышленного преобразователя частоты было измерено для скорости вала двигателя 1000 об / мин (f s = 33 Гц), и результаты измерений показаны на рисунках 8a и 8b .
На рисунке 8 показаны обычные напряжения помех и высокочастотный ток земли, протекающий от инвертора через емкости заземления, которые действуют как эквивалентные паразитные емкости экрана кабеля проводник — двигатель. Ток емкостного защитного проводника содержит гармоники и интергармоники с частотами от 5 кГц и выше (f c = 5 кГц, частота переключения силовых вентилей инвертора). В нижнем диапазоне высших гармоник частоты следующих друг за другом гармоник являются результатом распределения гармоник в амплитудном спектре общего возмущающего напряжения инвертора, показанного на рисунке 5b .
На рис. 8а (нижняя волна) показана форма тока земли при гальваническом коротком замыкании емкости заземления экранированного кабеля двигателя с проводом РЕ. Импульсы тока здесь достигают амплитуды более 2 А (М = 0,67).
На рисунке 8b (нижняя волна) показана форма тока заземления при резистивном (1 кВт) замыкании на землю экранированного кабеля двигателя с защитным проводом PE. Эквивалентный резистор 1 кВт отображает эквивалентное сопротивление человека между экраном кабеля двигателя и защитным проводом PE. Импульсы тока здесь достигают амплитуды, превышающей значение, близкое к 250 мА (M = 0,67).
Проведенные имитационные испытания (рис. 4а) показывают, что при коэффициенте глубины модуляции инвертора MSI M = 0 (ротор двигателя неподвижен) ток, протекающий человеком, который касается незаземленного экрана кабеля двигателя, будет иметь эффективное значение 280 мА. При M = 1 (номинальная частота вращения ротора) значение этого тока уменьшается вдвое. В обоих случаях именно ток вызывает патофизиологические эффекты зоны AC 4.3 и, таким образом, представляет смертельную угрозу для человека.
Автор не дошел до исследования, определяющего влияние прямоугольного напряжения частотой 5 кГц на организм человека, поэтому предположил влияние как синусоидального напряжения с частотой 50 Гц. Поскольку источником общего напряжения короткого замыкания является преобразователь частоты MSI, токи заземления, протекающие через провод защитного заземления к нейтральной точке трансформатора, возвращаются через проводники питания фазы к инвертору. Сумма токов замыкания на землю, протекающих через провод защитного заземления к трансформатору и возвращающихся к преобразователю частоты через фазные проводники источника питания, всегда дает значение, равное нулю. Сумму этих токов можно измерить с помощью токоизмерительного щупа, разместив защитный провод PE и три фазных провода источника питания преобразователя частоты ( рис . 7a ).
Высокочастотные токи заземления не вызывают электродвижущей силы суммирующего трансформатора тока (катушки Ферранти), который отключил бы УЗО. Суммирующий трансформатор устройства защитного отключения с характеристикой I DA1 ( рис. 8 ) «прозрачен» для токов с частотами выше 400 Гц и прямоугольной формы (обычное напряжение возмущения инвертора MSI при M = 0, рис. 4a ). Автоматический выключатель остаточного тока с характеристикой I DA2 ( рис. 8 ) нельзя использовать в приводах с экранированными кабелями двигателя, поскольку ток заземления при нормальных условиях работы привода во много раз превышает ток отключения выключателя.
Резюме
Использование устройства защитного отключения в приводе с преобразователем частоты в качестве защиты от токов земли, независимо от их типа AC, A или B, не является эффективным решением и может даже помешать работе привода. Автор представленных исследований [5, 6] также указывает на эту проблему. Высокочастотные токи на землю в несколько ампер встречаются в приводах с преобразователями частоты с длинными экранированными кабелями двигателя. Высокие токи замыкания на землю также встречаются в приводах с регулируемой скоростью с длинными неэкранированными кабелями двигателя, которые проходят вдоль заземленных металлических конструкций или в заземленных металлических кабельных лотках.
Устройства защитного отключения переменного тока, используемые в приводах с преобразователями частоты, защищают только от замыкания на землю в цепях питания преобразователя частоты с напряжением трансформатора. Высокочастотный ток на землю, протекающий через суммирующий трансформатор тока (преобразователь в преобразователь частоты, рис. 1 ), не влияет на работу УЗО и правильно определяет замыкания на землю по напряжениям трансформатора.
Экономической проблемой является отключение приводов с преобразователями частоты в результате случайного отключения устройства защитного отключения. В ходе проведенных испытаний такое случайное срабатывание УЗО происходило несколько раз. Отсутствие квалифицированного обслуживания на небольших производственных предприятиях (пекарнях, холодильных складах, заводах по розливу и т. Д.) Не позволяет быстро выявить причину срабатывания УЗО и включить его снова, т.е. при случайном срабатывании. Ситуация случайного отключения УЗО иногда возникает при воздействии на него высокочастотных токов земли. Производители не тестируют свойства УЗО для таких условий эксплуатации [6]. Автор рекомендует по возможности, тогда не используйте УЗО в приводах с преобразователями частоты. Также нет стандартов, рекомендующих использование УЗО в промышленных приводах с преобразователями частоты.
