Napájení asynchronních motorů z měničů

Vzhledem ke složitým technickým vzájemným vlivům působícím v rámci systému a rozmanitosti pracovních podmínek přesahuje stanovení číselných nebo mezních hodnot všech veličin, které jsou důležité pro návrh pohonu, rozsah platnosti a předmět tohoto článku.

V praxi jsou pohony stále více sestaveny ze součástí vyráběných různými výrobci. Cílem článku je vysvětlit a stanovit, pokud je to možné, kritéria pro volbu součástí a jejich vliv na technické charakteristiky pohonu. V úvahu se budou brát pouze měniče nepřímého typu. Tento typ zahrnuje měniče s vnuceným stejnosměrným proudem v meziobvodu (proudové měniče) a měniče s vnuceným stejnosměrným napětím (napěťové měniče), buď blokového typu nebo typu s pulzním řízením, bez omezení počtu, šířky nebo kmitočet impulzů.

Charakteristiky motoru

Výstupní proud proudového měniče prochází během doby komutace statorovým vinutím motoru. Pro návrh komutačních obvodů je tedy důležitá znalost náhradního obvodu motoru.

V případě napěťových měničů není znalost náhradního obvodu motoru pro návrh komutačního obvodu normálně důležitá, avšak impedance harmonických motoru značně ovlivňují ztráty způsobené harmonickými.

Výše uvedené podmínky jsou důležité pro základní provozuschopnost pohonu. Jsou-li požadovány podrobné údaje o přídavných momentech (zejména o oscilačních momentech) a o přídavných ztrátách, které se vyskytují během provozu měniče, je nutná znalost parametrů náhradního obvodu motoru v rozsahu daného spektra harmonických.

Vzhledem k existujícím variantám návrhů asynchronních motorů nakrátko typu N a vzhledem k širokému rozsahu kmitočtu nejdůležitějších harmonických (v šířce pásma od 0 do 30 kHz) není možné stanovit obecně platný náhradní obvod motoru. Zpravidla není přípustné používat pro výpočet momentů a ztrát způsobených harmonickými veličiny z náhradního obvodu pro ustálený provoz při kmitočtu systému. Výrobce motoru může poskytnout příslušné hodnoty náhradního obvodu pouze tehdy, je-li známé dané kmitočtové spektrum proudů a/nebo napětích generovaných měničem.

Kmitočtové spektrum napětí a/nebo proudů

Vzhledem k nutnému snížení momentu a k oscilačním momentům vybuzeným harmonickými je důležité u napětí a/nebo proudů motoru znát relativní obsah harmonických ve srovnání s těmi, které vznikají během provozu při sinusovém napájecím napětí.

V případě napěťových měničů se používají různé vzorky impulzů (které se mohou měnit v rámci rozsahu nastavení kmitočtu). Není tedy možné uvést obecné platná ustanovení o vlivech harmonických. Aby bylo možné uvést konkrétní ustanovení, musí být znám obsah harmonických výstupního napětí měniče a musí být vyšetřeny jeho důsledky pro motor.

Při použití měničů s pulzním řízením může být obsah harmonických s nízkými kmitočty udržován na nízké hodnotě, zatímco dominantní harmonické se vyskytují při poměrně vysokých hodnotách kmitočtu a nemají v důsledku indukčností vinutí motoru velký vliv.

Přídavné ztráty

Harmonické u napětí a proudu asynchronního motoru nakrátko napájeného z měniče způsobují přídavné ztráty v železe a ve vinutí statoru a rotoru. Přídavné ztráty v železe závisejí na amplitudách, a zejména na kmitočtech harmonických fázového napětí. Přídavné ztráty v železe nezávislé na zatížení jsou důležité u motorů napájených z napěťových měničů. U motorů napájených z proudových měničů jsou přídavné ztráty v železe nezávislé na zatížení téměř zanedbatelné.

Při napájení proudovými měniči existuje další druh ztrát v železe, takzvané komutační ztráty. Rychlá změna rozptylových toků během komutačního intervalu vytváří vířivé proudy v zubech statoru a rotoru.

V případě napájení napěťovými měniči nedochází k žádným komutačním ztrátám, protože komutační proudy neprocházejí vinutími motoru.

Přídavné ztráty ve vinutí rotoru závisejí na návrhu rotoru (na geometrii drážek). Rotory s výrazným posunem proudu jsou na tyto ztráty zvlášť citlivé. V případě napěťových měničů je rozptylová reaktance nejdůležitější konstrukční charakteristikou, protože omezuje proudy harmonických, které jsou příčinou ztrát. Přídavné ztráty při napájení z napěťového měniče nezávisejí na zatížení. Naopak, v případě proudového měniče, jsou na zatížení závislé.

Neexistuje žádná jednoduchá metoda pro výpočet přídavných ztrát a není možné stanovit jejich hodnotu s obecnou platností. Jejich závislost na různých fyzikálních veličinách je velmi složitá. Existuje také velké množství variant jak měničů (např. proudové a napěťové měniče s různými kmitočty impulzů a vzorky impulzů), tak motorů (např. různé druhy vinutí, zešikmení, geometrie drážek).

Snížení momentu při napájení z měniče

Je-li motor napájen z měniče při jmenovitém kmitočtu, dosažitelný moment je obvykle menší než jmenovitý moment při sinusovém napětí. Snížení závisí v důsledku přídavných ztrát jak na oteplení, tak na poměru výstupního napětí měniče při jmenovitém kmitočtu motoru ke jmenovitému napětí motoru.

Oteplení závisí na konstrukci jednotlivého motoru a na způsobu chlazení (např. IC01 nebo IC0141, viz. IEC 60034-6). Při určování činitele snížení je důležitá tepelná rezerva určitého motoru. Se zřetelem na všechny tyto vlivy je činitel snížení při jmenovitém kmitočtu v typickém případě v rozsahu od 0,8 do 1,0.

Jmenovité hodnoty měniče v praxi často neznamenají, že základní tok při jmenovitém kmitočtu je stejný jako při sinusovém napětí. Důvodem je přídavná odchylka momentu, jejíž hodnoty závisejí na jednotlivých parametrech.

V rozsahu nastavení otáček pod synchronními otáčkami při jmenovitém kmitočtu motoru, a je-li odpor statorového vinutí zanedbatelný ve srovnání s reaktancemi motoru, vede použití zákonitosti U1/f1 = konstanta ke konstantnímu momentu zvratu. Aby byl kompenzován vliv odporu statoru motoru, jsou navrženy některé měniče tak, že jejich charakteristika při nízkých otáčkách vytváří vyšší momenty než v případě, že taková kompenzace neexistuje.

Oscilační momenty

Asynchronní (časově konstantní) momenty vytvářené harmonickými mají na provoz pohonu malý vliv. To však neplatí pro oscilační momenty, které vytvářejí torzní vibrace v mechanickém systému.

V případě trojfázových asynchronních motorů napájených z proudových měničů s šestipulzním obvodem jsou v praxi důležité oscilační momenty s šestinásobkem a dvanáctinásobkem pracovního kmitočtu f1. Jejich amplitudy jsou řádově 15% (u kmitočtu 6 x f1) a 5% (u kmitočtu 12 x f1) jmenovitého momentu.

Doporučuje se věnovat pozornost výpočtu kritických torzních otáček, zejména u pohonů s převodovými prvky, které jsou pouze mírně tlumeny.

U pohonů s měniči s pulzním řízením jsou kmitočty dominantních oscilačních momentů určeny kmitočtem impulzů, zatímco jejich amplitudy závisejí na šířce impulzů. Amplitudy oscilačního momentu mohou mít tedy výšku až 15%, pokud kmitočet impulzů přesahuje desetkrát základní kmitočet, což je u měničů používaných v současné době obvyklé. Při vyšších kmitočtech impulzů (řádové 21 x f1) jsou oscilační momenty o kmitočtech 6 x f1 a 12 x f1, prakticky zanedbatelné, pokud je použit vhodný vzorek impulzů. Navíc jsou vytvářeny oscilační momenty, které jsou dvojnásobkem kmitočtu impulzů. Ty však nemají nepříznivý vliv na systém pohonu, protože jejich kmitočet je mnohem vyšší než kritické mechanické kmitočty.

Magneticky buzený hluk

V důsledku harmonických se mechanismus buzení magnetického hluku stává složitějším než při provozu se sinusovým napájením. Spolehlivý předběžný výpočet magnetického hluku, k němuž dochází při provozu asynchronních motorů nakrátko napájených z měničů, není v současné době možný. Zejména může docházet k rezonanci v některých bodech rozsahu otáček.

Při napájení motoru z proudového měniče vytvářejí harmonické proudu přídavné magneticky buzené tóny. Amplituda každé harmonické je nepřímo úměrná jejímu řádu. Kmitočty sil budících hluk se liší od vlastních kmitočtů aktivních částí statoru. Hladina přírůstků hluku je tedy ve stejném rozsahu při provozu motoru při konstantním toku a konstantních proudech. Přírůstek je ovlivňován pouze v malé míře řídicími zařízeními měniče nebo konstrukcí motoru. Podle zkušeností se hladina hluku A zvyšuje v rozsahu 1 dB až 6 dB při provozu do jmenovitého kmitočtu ve srovnání s provozem při sinusovém napájení při jmenovitém napětí a jmenovitém kmitočtu. Horní mez zvýšení platí pro motory, které mají při provozu se sinusovým napětím nízkou hladinu hluku.

Při napájení motoru z napěťového měniče vytvářejí harmonické napětí přídavné magneticky buzené tóny. Kmitočty jsou blízké kmitočtu impulzů měniče nebo jsou jejími násobky a mohou být blízké vlastním kmitočtům aktivních částí statoru. Amplitudy sil budících hluk se mění v širokém rozsahu s technikou řízení měniče. Je-li kmitočet impulzů pevný, jsou ve spektru vysoké špičky. Naopak, je-li vzorek impulzů řízen online, ve spektru nejsou viditelné prakticky žádné špičky. Zvýšení hladiny hluku A se tedy mění ve větším rozsahu ve srovnání s provozem při sinusovém napájení při jmenovitém napětí a jmenovitém kmitočtu než u motorů napájených z proudového měniče. Podle zkušeností bude zvýšení při konstantním toku pravděpodobně v rozsahu 1 dB až 15 dB.

Životnost izolačního systému

Izolační systém motoru je vystaven vyššímu dielektrickému namáhání než v případě napájení se sinusovými napětími a proudy. V případě napájení z proudových měničů se během komutačního intervalu vyskytují v napětí motoru špičkové hodnoty, které namáhají hlavní a mezizávitovou izolaci. V případě napájení z napěťových měničů jsou důležité gradienty napětí, které namáhají mezizávitovou izolaci, zejména izolaci prvních ze sítě napájených cívek.

Dielektrické namáhání izolace vinutí je určováno špičkovým napětím, dobou náběhu a kmitočtem impulzů vytvářených měničem, charakteristikami a délkou spojovacích vedení mezi měničem a motorem, konstrukcí vinutí a jinými parametry systému. Pro hodnocení jsou důležitá zejména napětí mezi různými částmi vinutí a zemí.

Motory se vsypávanými vinutími se smaltovanými dráty kruhového průřezu vydrží na svorkách v typickém případě impulzní napětí podle obr. 2 bez výrazného zkrácení doby života.

Kombinace střídačů s rychlým spínáním s kabely způsobí špičková napětí v důsledku vlivů přenosového vedení. U motorů dimenzovaných na napětí rovné nebo menší než AC 500 V má mít izolační systém v typickém případě uspokojivou životnost, je-li vystaven špičkovým napětím znázorněným na obr. 2.

U motorů dimenzovaných na napětí od AC 500 V do AC 690 V, napájených ze střídače s rychlým spínáním, může být požadován izolační systém na vyšší úrovni a/nebo filtry navržené pro omezení doby náběhu impulzu a/nebo špičkových napětí.

Vzhledem ke složitým vzájemným vztahům se doporučuje věnovat pozornost návrhu kompletního pohonu. Někdy je nutné na výstupu měniče použít filtrů.

Ložiskové proudy

Během provozu měniče mohou být ložiskové proudy způsobeny dvěma různými druhy napětí:

• Hřídelovým napětím
  Termín hřídelové napětí je použit pro napětí, které je prstencovým tokem v jhu statoru indukováno ve vodivé smyčce zahrnující hřídel, ložiska, ložiskové štíty a kostru. Nepravidelnosti v jhu (např. rybinové drážkování pro upnutí jádra, ventilační kanály, magnetické anizotropie plechů) mohou vyvolat prstencový tok. Prstencový tok může být zvýšen nulovou složkou statorových proudů (takzvané soufázové proudy), jejichž velikost závisí na systému uzemnění motoru. Proudová špička se objevuje vždy, když je spínán jeden z polovodičových prvků, obvykle šestkrát za periodu kmitočtu impulzů.
• Ložiskovým napětím
  Termín ložiskové napětí je použit pro napětí s kapacitní vazbou na radiální vůli ložiska. Ložiskové napětí je způsobeno původně střídavým napětím mezi středním potenciálem statorového vinutí a uzemněným statorovým jádrem (takzvané souhlasné napětí), které je vlastní řídicímu algoritmu měničů s PWM. Souhlasné napětí sestává zejména ze složek, které jsou trojnásobkem kmitočtu systému, trojnásobkem základního kmitočtu na výstupních svorkách měniče a z kmitočtu impulsů. Jeho špičková hodnota je v rozsahu 50 % stejnosměrného napětí v meziobvodu měniče.

V závislosti na kapacitních odporech (kapacitách) mezi statorovým vinutím a rotorem, mezi rotorem a kostrou a na kapacitním odporu (kapacitě) samotného ložiska je možno na radiální vůli ložisek měřit určité procento souhlasného napětí. Časová charakteristika ložiskového napětí tedy kopíruje souhlasné napětí.

Má-li se měřit hřídelové napětí nebo ložiskové napětí během provozu měniče, mají být učiněna příslušná opatření a je nutno použít specifické přístroje a stíněné měřicí kabely.

Při provozování motoru při sinusovém napětí je ložiskové napětí prakticky nulové. Pokud hřídelové napětí nepřesahuje asi 500 mV (špičková hodnota), nejsou podle dlouhodobých zkušeností nutná žádná ochranná zařízení. Hřídelová napětí vyšší než asi 500 mV (špičková hodnota) mohou ve výše uvedené vodivé smyčce vytvářet vyrovnávací proudy, které mohou v poměrně krátké době zničit ložiska. Izolace jednoho ložiska, nejlépe na opačné straně pohonu, stačí k tomu, aby se zabránilo procházení vyrovnávacích proudů oběma ložisky a nakonec ložisky poháněného zařízení. Izolace ložisek není ani nutná, ani obvyklá v případě motorů, které jsou předmětem této specifikace, pokud jsou provozovány při sinusovém napájecím napětí a vyrobeny podle současného stavu techniky.

Během provozu proudového měniče (blokového měniče) se nevyskytuje žádné ložiskové napětí. Hřídelové napětí je mírně zvýšeno v důsledku harmonických daných napájecích napětí/proudů. Doporučuje se tatáž přibližná horní mezní hodnota 500 mV (špičková hodnota) jako při sinusovém napájení.

Během provozu napěťového měniče se vyskytuje současně hřídelové napětí a ložisková napětí. Vysoké gradienty ložiskového napětí mohou mít za následek kapacitní ložiskové proudy (tzv. du/dt proudy). Kromě toho vznikají krátkodobé vybíjecí proudy (tzv. EDM proudy), pokud ložiskové napětí překročí svou průraznou hodnotu. Opakovací kmitočet EDM proudů se zvyšuje se zvyšujícími se hodnotami ložiskového napětí a kmitočtu impulzů. Oba druhy proudů vyvolávaných ložiskovým napětím protékají podél dráhy výše uvedených kapacitních odporů (kapacit), respektive podél systému uzemnění motoru, nikoliv však oběma ložisky.

V závislosti na kmitočtu impulzů, na době náběhu impulzů a na jmenovitých hodnotách motoru má hřídelové napětí špičkovou hodnotu vysokého kmitočtu, která může být vyšší než 10 V, což může způsobit proražení vrstvy maziva ložisek. Složka základního kmitočtu však vytváří elektromotorické napětí. Kmitočtové spektrum vyrovnávacích proudů obsahuje tedy převážně základní kmitočet a jeho 3. harmonickou. Pokud je motor s nízkým hřídelovým napětím při sinusovém napájení výhodný pro zabránění vyrovnávacím proudům při napájení z měniče, může být tok proudu udržován složkou základního kmitočtu, i když je jeho amplituda menší než 500 mV (špičková hodnota).

Na základě měření je typická hodnota ložiskového napětí v rozsahu od 10 V do 30 V (špičková hodnota). Vzájemný vztah mezi vyrovnávacími proudy a ložiskovým napětím nebylo možno zjistit.

Ze zkušeností vyplývá, že:

• U motorů, které jsou předmětem tohoto článku s velikostmi kostry do 315 včetně, zřídkakdy dochází k poruše ložiska způsobené provozem měniče. Dielektrické namáhání působící na ložiska se však mění v širokém rozsahu s typem řídicího algoritmu měniče. Pokud se však používají měniče s kmitočtem impulzů vyšším než 10 kHz a výstupním napětím vyšším než 400 V (efektivní hodnota), má se uvážit použití izolace ložisek.
• V případě strojů, které jsou předmětem tohoto článku a s velikostmi kostry nad 315, se doporučuje buď:
  - použít měnič s filtrem určeným pro zmenšení nulové složky fázových napětí (tzv. souhlasného napětí);
  - nebo omezit du/dt napětí;
  - nebo izolovat ložisko (ložiska) motoru.
• Izolace kuličkového ložiska může být dosaženo jeho nahrazením izolovaným ložiskem stejných rozměrů. Zřídkakdy je nutné izolovat obě ložiska motoru. V takovém případě se velice doporučuje vyšetření celého systému pohonu odborníkem, které má zahrnovat poháněný stroj (izolaci spojky) a systém uzemnění (případně použití uzemňovacího kartáče).

Korekce účiníku

Použití výkonových kondenzátorů pro korekci účiníku na straně zátěže elektronického napájecího zdroje připojeného k asynchronnímu motoru se nedoporučuje. Správné použití takových kondenzátorů vyžaduje analýzu motoru, elektronického napájecího zdroje a zatěžovacích charakteristik v závislosti na otáčkách, aby se zabránilo potenciálnímu přebuzení motoru, harmonické rezonanci a přepětí kondenzátorů.