prady lozyskowe falownik.pdf

7/24/2019 prady lozyskowe falownik.pdf

1/6

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 74/2006 69

Piotr ZientekPolitechnika lska, Gliwice

PRDY OYSKOWE I PRD UZIOMU W UKADACHNAPDOWYCH ZASILANYCH Z FALOWNIKW PWM

BEARING CURRENTS AND LEAKAGE CURRENTIN PWM INVERTER DRIVES

Abstract: The paper presents analysis of forming of the induction motor bearing currents and leakage currents.In chapter 2 the causes at common-mode voltage and shaft voltage formation are described. That voltages are

both the cause of EDM bearing currents forming. In chapter 3 are presented different types of parasitic phe-nomena caused by common-mode voltage. Internal capacitances of the induction motor is shown in Fig.5. Fig-ure 8 shows EDM bearing currents formation. Leakage currents in induction motors supplied from PWM In-verter are presented in chapter 4. Chapter 5 describes methodes for limiting bearing currents in PWM drives.

1. WstpProblematyka wystpowania zaburze w uka-dach napdowych jest tematyk szeroko poru-szan przez orodki naukowe i przemysowe.Jednym z podstawowych rde powstawaniazakce w ukadach napdowych s obwodyz tranzystorami IGBT oraz MOSFET. Zabu-rzenia wynikaj gwnie z duych stromocinarastania napi oraz prdw i mog by gene-rowane zarwno do obwodw wejciowych jak

i wyjciowych przemiennika czstotliwoci.Z wystpowaniem zaburze w ukadach nap-dowych wie si szeroko poruszany problem

jakim jest odpowiednie sterowanie maszynelektryczn poprzez falownik PWM. Z pro-

blematyk sterowania silnikiem elektrycznymzwizane s dwa podstawowe zagadnienia: sy-metryczno budowy silnika oraz symetrycz-no napi zasilajcych. Z niesymetrycznymzasilaniem ma si do czynienia w przypadkuzasilania silnika z falownika PWM. Przy roz-

patrywaniu niesymetrii zasilania, skadowe

prdu przeciwnej i zerowej kolejnoci faz przy-czyniaj si do zwikszenia strat w silniku, cow konsekwencji prowadzi do obnienia jegosprawnoci. Przy niesymetrycznym zasilaniudy si do ograniczenia poziomu zaburze ge-nerowanych przez przemiennik czstotliwoci,

poprzez odpowiednie ekranowanie, uziemianie,separacj galwaniczn oraz stosowanie odpo-wiednich filtrw. Jednym ze sposobw ograni-czania zaburze emitowanych z obwodw

przemiennika czstotliwoci jest stosowanieodpowiedniego algorytmu przeczania czni-kw energoelektronicznych. Powanym pro-

blemem s trudnoci z utrzymaniem symetrii

wewntrznej w budowie silnika. Pojawiajcesi niesymetrie mog wynika z bdu techno-logicznego na etapie projektowania silnika, jakrwnie ze sposobu jego wykonania. Najcz-ciej s to niesymetrie w obwodzie magne-tycznym wynikajce z pakietowania blach sto-

jana oraz z nierwnomiernej szczeliny po-wietrznej. Nieuwzgldnienie powyszej pro-

blematyki na etapie projektowania caego

ukadu napdowego prowadzi do powstaniaszeregu nie zamierzonych zjawisk pasoytni-czych. Zalicza si do nich: napicie niezrwnowaenia, napicia na korpusach izolowanych

silnikw, napicia i prdy waowe, napicia i prdy oyskowe, prdy doziemne w silnikach uziemionych, spadek sprawnoci silnika, wzrost temperatury uzwoje,

emisja zakce elektromagnetycznych, prdy ekranowe w kablach ekranowanych, powstawanie przepi na zaciskach silnika,

w ukadach z dugim kablem silnikowym, bdne dziaanie zabezpiecze upywnocio-

wych.W zwizku z bardzo szybkim rozwojem tech-niki naley szuka coraz to nowszych metod

przeciwdziaania powstajcym zjawiskom pa-soytniczym, nie tylko zmniejszajc poziomzakce poprzez zastosowanie odpowiednichfiltrw, ale take eliminujc przyczyny ich po-

wstawania na etapie projektowania ukadu na-pdowego.


2/6


3/6

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 74/2006

odgrywa du rol w powstawaniu napi naelementach konstrukcyjnych silnika oraz majduy wpyw na napicie na zaciskach silnika.W silniku indukcyjnym powstaje pojemno-ciowy dzielnik napicia (rys. 2), ktry powo-duje, e napicie punktu neutralnego przenosisi na kadub oraz na wa silnika. Na rysunku 3

przedstawiono przebieg napicia niezrwnowa-enia oraz napicia waowego w silniku z izo-lowanymi oyskami.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1t [ms]

-400

-200

0

200

400

u

N

[V]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

t [ms]

-20

-10

0

10

20

uWAL

[V]

Rys.3. Przebieg czasowy napi: a) w punkcieneutralnym uzwojenia stojana, b) na wale sil-nika z izolowanymi oyskami

Korzystajc z rysunku 2, napicie waowemona wyrazi w postaci

)()( tuCCC

C

tu Ngbsr

sr

WA ++= (2)

Pojemnoci wewntrzne wystpujce w silnikuzmierzone mostkiem transformatorowymtypu: BM484 dla silnika o mocy Pn =5.5 kWwynosz:

nF1,41=CnF,,050CnF,3,55C gsrsf == .

Jak wida z rysunku 3 napicie waowe silnikama ksztat identyczny jak napicie w punkcieneutralnym uzwojenia stojana, a jego wartow duej mierze zaley od pojemnoci pomidzyuzwojeniem stojana a wirnikiem. Napicie to

ma duy wpyw na powstawanie prdu oy-skowego.

3. Zjawiska pasoytnicze spowodowanenapiciem niezrwnowaenia

Napicie niezrwnowaenia powstajce w wy-niku niesymetrii ukadu zasilania jest gwnym

rdem powstawania pasoytniczych prdwdoziemnych. Dua warto stromoci tego na-

picia (duN/dt) wzbudza prdy zaburze wspl-nych w rozoonych pojemnociach pasoytni-czych ukadu napdowego. Na rysunkach 4 i 5

przedstawiono sprzenia pojemnociowe w u-kadzie napdowym i w samym silniku majcedecydujcy wpyw na przepyw tych prdw.

V

U

W

UN

2L

L 1

L 3

P RO STO WN IK F AL OW NIKSILNIK

UU UV UWICM

Rys.4. Rozoone pojemnoci pasoytnicze uka-du napdowego PWM

Rys.5. Rozoone pojemnoci pasoytnicze w si-

lniku indukcyjnym

Prdy zaburze wsplnych pyn w przewo-dzie uziomowym silnika. Maj one charaktertumionych impulsw oscylacyjnych, wyst-

pujcych w momencie przeczania zaworwfalownika. Ich amplituda zaley od wartoci

pojemnoci pasoytniczych w ukadzie nap-dowym i moe osiga warto kilku ampe-rw. Czstotliwo oscylacji tych impulswzawiera si w granicach od kilkunastu kiloher-cw do kilku megahercw. Przykadowy prze-

bieg napicia niezrwnowaenia oraz prdu wprzewodzie uziomowym silnika przedstawionona rysunku 6.

a)

b)

71


4/6


0.47 0.48 0.49 0.5 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55

t [ms]

-100

0

100

200

300

400

uN

[V]

0.47 0.48 0.49 0.5 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55

t [ms

-2

-1

0

1

2

iCM

[A]

Rys.6. Przebieg czasowy: a) napicia nie-zrw-nowaenia, b) prdu w przewodzie uziomowym

silnikaCz prdu zaburze wsplnych pynie z uz-woje silnika przez pojemnoci pasoytnicze dowau, a std przez oysko do uziemionej obu-dowy silnika. Ze wzgldu na du impedancjtej drogi, prdy pynce przez oysko majmae wartoci (rys. 7). Nie maj zatem wpywuna szybkie zuywanie si oysk.

-400

-200

0

200

400

uN

[V]

0 0.2 0.4 0.6t [ms]

-120

-80-40

0

40

80

ib[

mA]

-2

-1

0

1

2

3

iCM

[A]

Rys.7. Przebieg czasowy: a) napicia nie-zrw-nowaenia, b) prdu w przewodzie uziomowymsilnika, c) prdu oyskowego

Dua stromo napicia duN/dt w punkcie neu-tralnym uzwojenia stojana pobudza sprzenia

pojemnociowe w silniku. Pojemnoci pasoyt-nicze pomidzy uzwojeniem stojana a wirni-kiem mog doprowadzi do powstania napiciana wale, ktre z kolei moe spowodowa prze-

pyw wyadowczych prdw oyskowychEDM stanowicych powane zagroenia dlamechanicznej trwaoci oysk. Napicie wa-owe powoduje adowanie pojemnoci pasoyt-niczej widzianej od strony oyska. W wyniku

przekroczenia wartoci progowej napicia prze-bicia cienkiej warstwy filmu olejowego, nast-puje rozadowanie pojemnoci pasoytniczejwidzianej od strony oyska, wynikiem czegos powstajce wyadowcze prdy oyskoweEDM. Na rysunku 8 przedstawiono mechanizm

powstania wyadowczego prdu oyskowegoEDM (Electric Discharge Machining).

-3

-2

-1

0

1

2

iCM

[A]

0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2

t [ms]

-20

-10

0

10

20

uWAL

[V]

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

ib[A]

-400

-200

0

200

400

600

uN

[V]

Rys.8. Przebieg czasowy: a) prdu zaburzewsplnych, b) napicia w punkcie neutralnymuzwojenia stojana, c) wyadowczego prdu o-yskowego EDM, d) napicia waowego

Prd ten przyjmuje duo wiksze wartoci niprd oyskowy powstajcy w wyniku stanwnieustalonych zwizanych z przeczaniem za-worw falownika i stanowi powane zagroeniedla oysk. Wartoci maksymalne prdu EDMnawet w maych silnikach mog osiga war-to kilku amper. Dua energia wyadowania wmaym obszarze oyska moe spowodowa

miejscowe mikrouszkodzenia bieni, ktre za-pocztkowuj proces degradacji elektrycznej

a)

b)

a)

b)

c)

b)

a)

c)

d)

prd EDM

72


5/6


i mechanicznej oyska. W przypadku cigejpracy ukadu napdowego, zniszczenie oyskmoe nastpi ju po upywie kilku miesicy[2]. Mona temu przeciwdziaa poprzez sto-sowanie w oyskach smaru elektroprzewodz-cego, zmniejszajcego impedancj oyska.Przebieg wyadowczego prdu oyskowegoi napicia waowego po zastosowaniu takiegosmaru w oyskach silnika przedstawiono narysunku 9.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

t [ms]

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

uWA

[V]

-0.08

-0.04

0

0.04

0.08

ib[A]

Rys.9. Przebieg czasowy: a) prdu oysko-wego, b) napicia waowego, po zastosowaniusmaru elektroprzewodzcego w oyskach

Badania laboratoryjne wykazay, e zastoso-wanie smaru elektroprzewodzcego w oys-kach cakowicie likwiduje wystpowanie wya-dowczych prdw oyskowych EDM.

4. Prdy doziemne w silnikach uziemio-nychPodczas eksploatacji silnikw indukcyjnych,w celu spenienia warunkw ochrony przeciw-

poraeniowej, kaduby silnikw s uziemione.Przy zasilaniu silnika z falownika PWMw przewodzie uziomowym pynie prd, ktry

jest wynikiem adowania i rozadowania pojem-noci wewntrznych silnika. Prd ten ma cha-rakter tumionych impulsw oscylacyjnych(rys.10) o czstotliwoci oscylacjifn=0,96MHz,i pynie tylko w czasie zmiany polaryzacjiukadu pojemnociowego. Amplituda tego

prdu moe osiga warto kilku amper,natomiast warto skuteczna prdu uziemienia

jest zalena od impedancji drogi przepywu,czstotliwoci sterowania zaworw falownikaoraz od czstotliwoci skadowej podstawowejharmonicznej napicia zasilania.

0 10 20 30 40

t [s]

-2

0

2

-1

1

3

-3

iCM

[A]

Rys.10. Prd zaburze wsplnych w przewo-dzie uziomowym silnika

Prd ten ma charakter podobny do prduw obwodzie szeregowym RLC po podaniuskoku napicia zasilania. W celu przeanalizo-wania jak wpywa czas narastania impulswwyjciowych falownika na warto tego prdusporzdzono schemat zastpczy obwodu,w ktrym zamyka si ten prd, ktry pniej

poddano symulacji w programie komputero-wym Pspice. Przebieg prdu zaburze wspl-nych z rysunku 10 aproksymowano w progra-mie Mathcad poleceniem Genfit uywajcalgorytmu minimalizacji bdu rednio-kwadratowego za pomoc nastpujcego rw-nania:

)sin()(0

teZEti n

t

CMn

=

(3)

gdzie:

n czstotliwo rezonansowa,

- wspczynnik tumienia,

0Z impedancja charakterystyczna,

LCn

1= ,

L

CR

2= ,

C

LZ =0 . (4)

Wyliczone parametry RLC z rwna (4) wyko-rzystano nastpnie w modelu symulacyjnym

przedstawionym na rysunku 11.

R

C

L

E

i CM

Rys.11. Schemat zastpczy obwodu symulacyj-nego prdu w przedziale uziomowym silnika

MHzfn 96,0=

b)

a)

73


6/6


Wyniki oblicze symulacyjnych przedstawionona rysunku 12.

0

1

2

3

4

5

0,01 0,1 1 10

tr [s]

ICMmax

[A]

0,5

Rys.12. Zaleno wartoci maksymalnej prduw przewodzie uziomowym silnika od czasu na-rastania impulsu wyjciowego falownika

Analizujc wyniki symulacji komputerowej

mona sformuowa nastpujcy wniosek:warto maksymalna prdu w przewodzieuziomowym silnika znacznie zmniejsza siw przypadku, gdy czas narastania impulswwyjciowych napicia falownika PWM jest

wikszy ni 1/2 okresu oscylacji pojawiajcychsi aperiodycznych impulsw prdu w przewo-dzie uziomowym silnika.

5. Metody ograniczania prdw oysko-wych w ukadach napdowych PWMOgraniczanie skutkw powstawania wyadow-czych prdw oyskowych EDM mona prze-

prowadzi ju na etapie projektowania falowni-ka PWM poprzez odpowiedni dobr algorytmusterowania zaworw, likwidujc w ten sposb

przyczyn ich powstawania (napicie nierwno-waenia). W przypadku, gdy prdy oyskowe

ju wystpuj naley stosowa inne sposobybezporednio ograniczajce ten prd. Do zna-nych od dawna metod mona zaliczy izo-lowanie oysk, uziemienie wau, stosowanieekranu elektrostatycznego lub zastosowanie

w oyskach smarw elektroprzewodzcych.W celu eliminacji prdu w przewodzie uziomo-wym silnika naley stosowa rnego rodzajufiltry pasywne (dawik silnikowy, dawik zabu-rze wsplnych, transformator zaburze wspl-nych) oraz bardziej rozbudowane i coraz cz-ciej stosowane filtry aktywne.

6. PodsumowanieW ukadach napdowych zasilanych z falow-nikw PWM wystpuje wiele zjawisk pasoyt-niczych niekorzystnych dla samego silnika.

Jednym z nich s wyadowcze prdy oyskoweEDM stanowice powane zagroenie dla o-ysk silnikw indukcyjnych.Wanym parametrem warunkujcym wystpo-wanie prdw EDM jest odpowiednio dua

prdko obrotowa silnika. Gdy ronie prdkoobrotowa silnika, wzrasta rwnie rezystancjaoysk. Przyjmuje ona wtedy warto z zakresukiloomw, a tworzcy si film olejowy w oy-sku powoduje, e oysko ma charakter pojem-nociowy. Powstaje wtedy napicie na wale sil-nika, nastpstwem ktrego jest powstanie du-ego natenia pola elektrycznego, ktre to po

przekroczeniu wytrzymaoci elektrycznejfilmu olejowego oyska jest rdem powsta-wania rozadowczych prdw oyskowych

EDM.Silniki obcione s bardziej odporne na dzia-anie prdw EDM ni silniki nie obcione,

poniewa elementy toczne s wtedy w cigymkontakcie z bieniami oyska. Podobnie, woyskach gorszej jakoci elementy tocznezwieraj bienie oyska, co uniemoliwia po-wstawanie napicia waowego. Praktycznie woyskach tych nie wystpuj prdy EDM,

pyn natomiast prdy zwizane z szybkim na-rostem napicia niezrwnowaenia (duN/dt)wywoane przeczaniem zaworw falownika.

Prdy te osigaj mae wartoci i nie stwarzajzagroenia dla oysk silnika. Dua wartotego prdu przepywa przez przewd uziomowysilnika, stwarzajc zagroenie dla obsugi oraz

powodujc bdne dziaanie zabezpieczeupywnociowych.

Literatura[1]. Jakubiec M., Polak A.: Dodatkowe zjawiska

pasoytnicze wystpujce w silnikach indukcyjnych

zasilanych napiciem odksztaconym. WiadomociElektrotechniczne, nr 6, 2000, s. 312-315.

[2]. Laitinen M.: Prdy oyskowe w nowoczesnychsystemach napdowych. Napdy i sterowanie, nr 1,stycze 2000, s. 6-10.

AutorMgr in. Piotr ZientekKatedra Maszyn i Urzdze ElektrycznychPolitechniki lskiejul. Akademicka 10a, 44-100 Gliwicetel: 032-2372652e-mail: [email protected]

74

prady lozyskowe falownik.pdf

Documents

Transcript of prady lozyskowe falownik.pdf