Nevyváženost fází v důsledku malých zátěží

Nevyváženost vstupního proudu nastane, když plnomůstkový usměrňovač VFD pracuje za podmínek nízké zátěže. Zde vysvětlujeme, co s tím dělat.

Jedním jevem, který elektrikáři často pozorují po instalaci VFD, je měřitelná proudová nerovnováha na vstupu VFD, když VFD pracuje při nízké zátěži. U průchozích spouštěčů (ACL), kde třífázový indukční motor běží na plné otáčky a napětí, jsou nevyváženosti problematické a vyžadují další diagnostiku. Když však VFD poskytuje proměnnou rychlost v reakci na měnící se zatížení, jsou tyto dva systémy skutečně srovnatelné, jako jablka a pomeranče.

Ve skutečnosti je nerovnováha na vstupu invertoru při nízké zátěži normálním jevem elektrického obvodu. Nevyváženost je způsobena připojením napájecího zdroje k VFD a nikoli k motoru samotnému. Přesněji řečeno, problém spočívá v celomůstkovém usměrňovači VFD.

Nejprve malé pozadí: Typická sekce VFD usměrňovače se skládá ze šesti diod. Tyto polovodiče vedou proud v jednom směru a fungují jako zpětný ventil v systémech zásobování vodou. (Zpětné ventily propouštějí kapalinu pouze tehdy, když tlak na přívodní straně převyšuje tlak na výtlačné straně.) Diody fungují v podstatě stejným způsobem, ale ekvivalentem tlaku je elektromotorická síla nebo napětí.

Diody plní mnoho funkcí v elektronických obvodech; V případě můstkového usměrňovače přeměňují diody střídavý proud na stejnosměrný proud. Stejnosměrný proud je pak připojen k řetězci specializovaných tranzistorů nazývaných bipolární tranzistory s izolovaným hradlem (IGBT), přičemž mezi nimi je cívka motoru. Tranzistor je jednoduše polovodičový spínač, který se může zapínat a vypínat vysokou rychlostí, typicky 2 až 15 kHz. Jsou to IGBT, které přímo řídí napětí a frekvenci dodávané do cívky motoru.

Nerovnováha proudu na lehce zatíženém VFD je tedy normální v přítomnosti jakékoli nerovnováhy mezifázového napětí. Kromě toho:

• Napětí VFD DC sběrnice není nastavitelné a mění se v závislosti na úrovni síťového napětí a zatížení motoru.
• Dokud je odběr proudu na všech vstupních součástkách na nebo pod jmenovitým vstupním proudem měniče a nevyváženost napětí třífázového zdroje je v rámci doporučení NEMA, nemělo by docházet k nadměrnému opotřebení vstupních součástí VFD. VFD odděluje připojení lineárního napájecího zdroje k motoru, takže VFD chrání motor před nesymetrickým síťovým napětím.
• Síťové tlumivky a stejnosměrné sběrnicové tlumivky jsou jednoduchá, nízkonákladová zařízení, která zvyšují impedanci na vstupu VFD a snižují napěťovou nerovnováhu. Další výhodou jejich přidání je snížení odražených harmonických z nelineární spotřeby proudu.

Více informací o řadě VFD

Další informace naleznete na obrázku znázorňujícím obecný obvod VFD s třífázovým napájecím zdrojem. Jak bylo zmíněno, způsob připojení můstkového usměrňovače mezi linku a motor znemožňuje srovnání nastavení VFD a ACL. Proudová nerovnováha u motorů ACL je typicky způsobena nesymetrií napětí mezi linkami a musí být udržována v rozmezí NEMA 1 % (NEMA MG1, 12.45). Jinak se výkon motoru sníží a může dojít k poškození vinutí motoru.

Protože VFD přerušuje přímé připojení síťového napájecího zdroje k motoru, funguje jako vyrovnávací paměť a účinně chrání motor před nesymetrií mezifázového napětí. VFD může dokonce pohánět třífázový motor na jednofázovém vedení. Tato fázová konverze je běžnou aplikací pro VFD, kde je k dispozici pouze jednofázový proud. Dimenzování VFD pro skutečný jednofázový vstup by se mělo řídit doporučeními výrobce VFD, aby bylo zajištěno, že VFD může dodávat jmenovitý výkon motoru bez nadměrného namáhání komponent VFD.

Varování: Naše diskuse se týká lehce zatížených VFD na třífázových zdrojích s malými napěťovými nesymetriemi 1 až 3 %. Nerovnováha elektrického napětí je běžná ve většině oblastí, ale inženýři závodu musí najít způsoby, jak je opravit, pokud nespadají do specifikací NEMA.

Tip pro odstraňování problémů: Chcete-li zkontrolovat, zda je proudová nerovnováha způsobena napájecími nebo předřazenými součástmi, zaměňte tři vstupní fáze na VFD a porovnejte měření před a po proudu. Pokud proudová nerovnováha následuje po střídavých fázích, nejpravděpodobnějším viníkem je napájecí zdroj nebo komponenty napájecího vedení. Pokud nevyváženost na vstupních fázích měniče přetrvává, může být na vině VFD.

Aby bylo jasno, jakákoliv přítomnost zařízení generujících impedanci je známá a jejich zavedení nepředstavuje způsob odstraňování problémů. Účelem otáčení vedení je izolovat místo, kde začíná nerovnováha v napájecím vedení, a izolovat zařízení odpovědné za nerovnováhu.

Jinými slovy, testy na straně linky na každém zařízení izolují nerovnováhu.

Nízká zátěž je pravděpodobný provozní stav, kdy VFD mění rychlost ventilátorů a čerpadel (které se řídí zákony afinity). Toto je běžná aplikace VFD, protože regulace rychlosti je účinný způsob regulace průtoku a snížení spotřeby energie. V tomto případě může i nerovnováha napětí v rámci specifikací NEMA vést k nevyváženému odběru proudu na fázi, přičemž většinu proudu poskytuje nejvyšší síťové napětí. To je způsobeno konstrukcí usměrňovače, který prochází proudem jako zpětným ventilem, a skutečností, že napájecí napětí se mění z kladného na záporné (AC).

Protože napětí je měřítkem elektromotorické síly, dioda vede proud pouze tehdy, když napájecí napětí překročí napětí stejnosměrné sběrnice na druhé straně diody. To znamená, že diody vedou proud pouze ve špičkách (kladných nebo záporných) průběhu napětí. To znamená, že napětí stejnosměrné sběrnice bude měřeno na vrcholu sinusovky střídavého proudu.

Když inženýři měří střídavé síťové napětí konvenčními multimetry při pevné hodnotě, napětí zobrazené na měřidle je ve skutečnosti vyjádřeno v jednotkách střední kvadratické hodnoty (RMS) napětí. Naměřené napětí se mění z kladného na záporné, takže průměrná hodnota je nulová. Střední kvadratická hodnota je plocha obsažená v sinusovce mezi nulou a vrcholem. Tato míra představuje velikost elektromotorické síly dodávané vedením střídavého proudu. Špička průběhu napětí je tedy rovna efektivní hodnotě vynásobené √2 (nebo 1,41). Například 460 voltů RMS x 1,41 se rovná špičkovému napětí 648,6 voltů. Pokud technik měří napětí stejnosměrné sběrnice frekvenčního měniče napájeného 460 V AC, naměří 648 V DC. Když je motor zatížen, napětí DC sběrnice přirozeně klesá.

Dioda, jejíž napájecí napětí překročí snížené napětí stejnosměrné sběrnice, se rozsvítí a doplní stejnosměrnou sběrnici. Vzhledem k tomu, že tři fáze síťového napájení jsou posunuty o 120 elektrických stupňů, je v každém okamžiku funkční pouze jeden pár diod (jedna kladná, jedna záporná) ze šesti. Jakmile síťové napětí klesne pod napětí stejnosměrné sběrnice, diody zhasnou, aby umožnily proudový impuls do obvodu stejnosměrné sběrnice. To je důvod, proč se tento typ můstku také nazývá šestipulzní můstek a proč spotřebovává energii nelineárním způsobem (takže průběh proudu neodpovídá průběhu napětí).

Proud teče do stejnosměrné sběrnice pouze tehdy, když existuje rozdíl napětí mezi stejnosměrnou sběrnicí a lineárním zdrojem energie. Takže když je frekvenční měnič lehce zatížen a jedna z napájecích linek má vyšší síťové napětí, bude nejprve dodávat energii do stejnosměrné sběrnice a poběží déle než ostatní fáze.

Jak zatížení motoru dále oslabuje stejnosměrnou sběrnici, začnou se rozsvěcovat další diody. Ale aktuální nerovnováha zůstává v závislosti na úrovni mezifázové nerovnováhy napětí.

Stručně řečeno, proudová nerovnováha na vstupu VFD je normální při jakékoli úrovni napěťové nerovnováhy, ale je největší při nízké zátěži. Tím nedochází k nadměrnému namáhání vstupních komponent VFD u třífázového napájení.

• od Anastasie Petrákové
• dne 14.03.2023