Преобразователи частоты Delta Electronics могут работать на расстоянии до 200-300 м от двигателя

15.08.2015 16:34
Большое расстояние между преобразователем частоты и двигателем представляет собой проблему, на которой любят спекулировать маркетологи. Для того, что бы понять, почему применение преобразователя частоты может привести к более быстрому выходу двигателя из строя, необходимо понимание двух физических явлений.

Первое - это явление отраженной, либо стоячей волны в электрической линии, второе явление - это резонанс в колебательном контуре и возникающие вследствие него выбросы напряжения, либо “звон” в цепи на сленге радиоинженеров.

В теории эти два явления должны анализироваться раздельно, однако на практике проблемы, ими создаваемые имеют одно и то же решение. Попробуем во всем разобраться не сильно глубоко погружаясь в детали.

Упрощенная модель кабеля , преобразователя частоты и двигателя представлена ниже.

Кабель представляет собой не просто два (или 4) провода, а распределенные по его длине индуктивности и емкости, поскольку любой проводник ненулевой длины представляет из себя индуктивность, способную накапливать энергию магнитного поля и сопротивляться быстрым изменениям тока, а любые два проводника, разделенные изолятором - емкость, способную накапливать заряды и сопротивляться быстрым изменениям напряжения.



Поэтому при замыкании IGBT ключа частотного преобразователя, импульс напряжения не появится на другом конце кабеля мгновенно, а начнет распространятся вдоль него с конечной скоростью, в виде волны, которая к тому-же может отражаться от дальнего конца. Отраженная волна движется в обратном направлении,  взаимодействуя с падающей волной и образуя стоячие волны. Волны называются стоячими, поскольку они действительно стоят и никуда не бегут. По длине кабеля образуются стабильные провалы напряжения и наоборот перенапряжения.

Отраженная волна
 
Что бы интуитивно понять, как образовываются стоячие волны, лучше посмотреть например вот этот ролик (даже не зная английского):

Рассматривая моторный кабель в качестве электрической линии, можно использовать следующие формулы для определения критической длины кабеля, либо длины, когда отраженная от конца кабеля волна начинает существенно искажать напряжение по его длине.

v = C / SQRT(e)
t = L/v

где:
С - скорость света = 3x10e8 м/cek
v - скорость бегущей волны в линии, м/сек
e = 3.5  - примерная относительная диэлектрическая проницаемость кабеля ( магнитную в формуле не учитываем, принимаем за 1).
t- время нарастания импульса напряжения на конце кабеля
L - длина моторного кабеля.

Для того, что бы отраженная волна не оказывала влияния, необходимо, что бы она успела пройти вдоль линии, отразиться от ее конца и вернуться обратно за время, равное времени включения IGBT.

Однако на практике используют более жесткие требования, например Yaskawa рекомендует следующую эмпирическую формулу для определения критической длины кабеля:

L=t/0,00624

где t - время фронта IGBT в миллисекундах
      L - критическая длина кабеля в метрах

Таким образом, если время нарастания составляет 0.1-0.3 ms, критическая длина кабеля составит 16-48 метров, что не так уж много. Что интересно, чем более медленные IGBT применены в преобразователе, тем длинее может быть моторный кабель. Но чем медленнее IGBT, тем больше греется преобразователь, тем больше его габариты и тем меньше у него КПД.

Резонанс

Можно предложить более точное описание того, что происходит в моторе: величина выброса напряжения, либо “звона” является функцией энергии, запасенной в индуктивности проводов кабеля, во время фронта каждого импульса напряжения из частотника. Индуктивность  тем больше, чем длиннее кабель. Индуктивность увеличивает время, необходимое для зарядки емкости  двигателя. Когда эквивалентная емкость двигателя уже заряжена до номинального напряжения, энергия, запасенная в индуктивности кабеля продолжает ее заряжать, вызывая перенапряжения.

Все вышеизложенное на первый взгляд пугает. Однако рассмотрим, что-же нас ожидает, в самом плохом случае, при самой большой стоячей волне и при самом суровом “звоне”.

Может показаться, что чем длиннее линия, тем больше индуктивность, тем больше энергии запасется в кабеле, тем больше может быть перенапряжение на двигателе.

Однако это не так.

Максимальное перенапряжение рассчитывается таким образом:

Uвхмакс = 380В+10% = 418 В - максимально возможное напряжение при исправной сети на входе ПЧ с учетом допуска согласно ГОСТ 12109-97.

Udc = Uвхмакс*1.414 = 591В - максимальное напряжение в звене постоянного тока ПЧ после выпрямителя.

Uмакс = 2* Udc = 1182 В - максимальное значение перенапряжения в кабеле. Удвоение в общем-то интуитивно понятно, это когда все напряжение отраженной волны сложится в фазе с падающей, либо когда вся энергия, запасенная в предыдущем цикле пойдет на еще один дополнительный заряд емкости двигателя.

И что не очень хорошо,поскольку 80% данного напряжения распределится вдоль первой же обмотки двигателя.

Это уже напряжение, которое может создать коронный разряд, в результате которого образуется озон, который, в свою очередь очень агрессивно разрушает изоляцию.

Однако есть и хорошие новости. Во-первых нам повезло, что у нас напряжение 3-х фазной сети имеет величину 380 В, а не 480В как в североамериканских странах, для которых перенапряжение составит уже более 1500В. Североамериканский рынок очень существенен, поэтому компаниям, работающим на глобальном рынке нет смысла делать чуть более дешевую и менее стойкую изоляцию для СНГ и Европы. Даже такие вещи, как преобразователи частоты Delta Electronics, где можно сэкономить, применив более низковольтные IGBT,  изготавливаются в итоге с большим запасом для Европы, что бы они без проблем могли работать и в США и Канаде. Поэтому если ваш мотор импортного производства, пусть даже и китайского, это хороший знак.

Не менее хороший знак - применение мотора, предназначенного для частотного регулирования. У него не только изоляция должна быть на уровне, но и охлаждение должно производится от независимого вентилятора и не будет проблем со смазкой и подшипниковыми токами.

Во-вторых все, даже самые обычные отечественные электродвигатели испытываются согласно ГОСТ 183-74 напряжением не менее 1500В.

В третьих, мы рассмотрели самый худший случай. А какие еще бывают случаи?

На этот вопрос попыталась ответить компания Belden в своих исследованиях.

Как уже отмечалось, на электрически коротких кабелях, длина которых меньше критической ( 16-48 м), стоячие волны хоть и образуются, но не влияют на напряжение в кабеле. Кроме того, из теории линий известно, что если волновое сопротивление кабеля совпадает с сопротивлением нагрузки, то стоячих волн вообще не образуется, независимо от длинны кабеля. Такая линия называется согласованной, вдоль нее напряжение и ток совпадают по фазе и медленно и монотонно падают к концу линии из-за потерь. Более того, удвоение напряжение в антиузле стоячей волны получается только у полностью рассогласованных линий - это тогда,когда кабель замкнут накоротко на конце, либо оборван. Во всех остальных случаях перенапряжение меньше, причем чем ближе волновое сопротивление линии к сопротивлению (импедансу) двигателя, тем меньше эти самые перенапряжения.

Согласно исследованию Belden, импеданс асинхронных двигателей переменного тока зависит от мощности следующим образом:



На этом графике мощность приведена в лошадиных силах.

Из этого графика следует, что для 1.5 кВт двигателя для идеального согласования необходим кабель с волновым сопротивлением чуть менее 1000 Ом. Изготовить такой кабель не реалистично, так как для такого сопротивления расстояние между жилами должно быть очень велико при существующих изоляционных материалах. Но идеалу можно приблизиться, как это возможно. Что интересно, более мощные двигатели к идеалу движутся сами и для них длина кабеля может быть больше.

Результаты использования различных кабелей Belden и полученные перенапряжения для высокоомных кабелей приведены в таблице



Не забываем, что напряжения указаны для североамериканского потребителя с напряжением 480В. Масштабируя в наши условия видно, что с помощью специальных кабелей для ПЧ Belden перенапряжение удастся уменьшить до 850 В.

Из этой же таблицы можно сделать еще один интересный вывод. Экранированные кабели имеют меньшее волновое сопротивление и усугубляют картину. Поэтому, если Ваша проблема двигатель, а не помехи, создаваемые частотником, не стоит выбрасывать деньги на дорогой экранированный кабель.

Ну а если вы хотите перестраховаться, то есть несколько вариантов. По данным той-же Yaskawa применение 3-5% моторного дросселя устраняет 75% проблем с перенапряжениями. Если вам удастся установить дроссель рядом с двигателем, то длину кабеля можно будет удвоить.

Фильтр dv/dt - следующая по стоимости и эффективности опция. С ним, как правило проблем вообще не возникает в большинстве случаев.

Ну, а если вы раскошелитесь на синусный фильтр, длина кабеля вообще перестанет вас волновать.

Все это хорошо, скажете Вы, а причем здесь Delta Electronics вообще? 

А не причем. Как не причем и другие производители с громкими именами и плясками с бубном вокруг “свехмягких ШИМ” и прочих непрозрачных вещей. Скорость света и законы физики одинаковы для всех, и если ПЧ выполнен по структурной схеме как на первом рисунке,  качественная картина одна и та-же.

Каждый производитель сам определяет и оценивает риск, когда выдает рекомендации по длинам кабеля в виде простых таблиц. В них вы не увидите высоких материй вроде характеристического сопротивления и критической длины.

Приведем  и мы такие таблицы для приводов Delta Electroncis.

Максимальные длины моторных кабелей для векторных приводов серии C2000

Тип	кВт	л.с.	Номинальный ток (A)	Макс. длина моторного кабеля без дросселя		Макс. длина моторного кабеля  с 3% моторным дросселем
			Режим Норм/Тяжел.	Экрани- рованный (m)	Неэкрани- рованный (m)	Экрани- рованный (m)	Неэкрани- рованный (m)
VFD007C43A	0.75	1	3/2.9	50	75	75	115
VFD015C43A	1.5	2	4/3.8
VFD022C43A	2.2	3	6/5.7
VFD037C43A	3.7	5	9/8.1
VFD040C43A	4	5	10.5/9.5
VFD055C43A	5.5	7.5	12/11
VFD075C43A	7.5	10	18/17	100	150	150	225
VFD110C43A	11	15	24/23
VFD150C43A	15	20	32/30
VFD185C43A	18.5	25	38/36
VFD220C43A	22	30	45/43
VFD300C43A	30	40	60/57
VFD370C43S/U	37	50	73/69
VFD450C43S/U	45	60	91/86	150	225	225	325
VFD550C43A/E	55	75	110/105
VFD750C43A/E	75	100	150/143
VFD900C43A/E	90	125	180/171
VFD1100C43A/E	110	150	220/209
VFD1320C43A/E	132	175	260/247
VFD1600C43A/E	160	215	310/295
VFD1850C43A/E	185	250	370/352
VFD2200C43A	220	300	460/437
VFD2800C43A	280	375	550/523
VFD3150C43A	315	420	616/585
VFD3550C43A	355	475	683/649
VFD4500C43A	450	600	866/816
VFD007C43E	0.75	1	3/2.9	30	60	45	90
VFD015C43E	1.5	2	4/3.8
VFD022C43E	2.2	3	6/5.7
VFD037C43E	3.7	5	9/8.1
VFD040C43E	4	5	10.5/9.5
VFD055C43E	5.5	7.5	12/11
VFD075C43E	7.5	10	18/17	50	100	75	150
VFD110C43E	11	15	24/23
VFD150C43E	15	20	32/30
VFD185C43E	18.5	25	38/36
VFD220C43E	22	30	45/43
VFD300C43E	30	40	60/57

Максимальные длины моторных кабелей для  приводов насосно-вентиляторной серии CP2000

Тип	кВт	л.с.	Номинальный ток (A)	Макс. длина моторного кабеля без дросселя		Макс. длина моторного кабеля  с 3% моторным дросселем
			Режим Норм/Тяжел.	Экрани- рованный (m)	Неэкрани- рованный (m)	Экрани- рованный (m)	Неэкрани- рованный (m)
VFD007CP43A	0 75	1	3/2 8	50	75	75	115
VFD015CP43B	15	2	4 2/3
VFD022CP43B	2 2	3	5 5/4
VFD037CP43B	3 7	5	8 5/6
VFD040CP43A	4	5	10 5/9
VFD055CP43B	5 5	7 5	13/10 5
VFD075CP43B	7 5	10	18/12	100	150	150	225
VFD110CP43B	11	15	24/18
VFD150CP43B	15	20	32/24
VFD185CP43B	18 5	25	38/32
VFD220CP43A	22	30	45/38
VFD300CP43B	30	40	60/45
VFD370CP43B	37	50	73/60
VFD450CP43S	45	60	91/73	150	225	225	325
VFD550CP43S	55	75	110/91
VFD750CP43B	75	100	150/110
VFD900CP43A	90	125	180/150
VFD1100CP43A	110	150	220/180
VFD1320CP43B	132	175	260/220
VFD1600CP43A	160	215	310/260
VFD1850CP43B	185	250	370/310
VFD2200CP43A	220	300	460/370
VFD2800CP43A	280	375	530/460
VFD3150CP43A	315	420	616/550
VFD3550CP43A	355	475	683/616
VFD4000CP43A	355	475	770/683
VFD5000CP43A	450	600	912/866