Влияние длины монтажного кабеля на перенапряжения на зажимах двигателя.

При эксплуатации электроприводов когда для связи между выходом преобразователя и статорной обмоткой АД необходимо применять монтажный кабель большой протяженности начинают проявляется нежелательные режимы, связанные с возникновением перенапряжения на зажимах двигателя. Неоспоримые достоинства транзисторных IGBT-инверторов напряжения (АИН) с широтно-импульсным управлением (ШИМ) в регулируемом асинхронном электроприводе сочетаются однако с рядом проблем, одной из которых является проблема "длинного кабеля", соединяющего обмотки двигателя (АД) с выходом АИН. Выходное напряжение U₁ АИН с ШИМ приставляет собой высокочастотную последовательность прямоугольных импульсов различной по­лярности и длительности с одинаковой амплитудой U_d (значение постоянного напряжения на входе АИН).

рис.29

Выходное напряжение АИН с ШИМ.

 

Крутизна фронта , импульсов напряжения определяется скоростью переключения силовых ключей АИН и при использовании различных полупроводниковых приборов составляет:

• однооперационные тиристоры SCR - 4-10 мкс;

• запираемые тиристоры GТО - 2-4 мкс;

• силовые биполярные тиристоры GTR - 0,5-2 мкс;

• транзисторы IGBT - 0,05-0,1 мкс.

 

Существенно более высокое быстродействие IGBT-транзисторов, являющееся преимуществом для реализации высокочастотной ШИМ и минимизации потерь энергии в АИН и АД, негативно проявляется в протекании переходных процессов в цепи АИН - соединительный кабель - АД на интервалах времени фронта t_f.

рис.30

Цепь соединения АИН с АД (эквивалентная схема).

Прохождение импульсного сигнала с крутым фронтом вызывает волновые процессы в кабеле, приводящие к появлению перенапряжений на зажимах двигателя.

рис.31

Напряжение на зажимах АД при подключении длинным кабелем.

 

В этом случае согласно теории цепей кабель следует рассматривать как однородную длинную линию с распределенными параметрами. Ввиду относительной малости последовательным активным сопротивлением r_К и параллельной активной проводимостью g_K участка линии можно пренебречь. Волновое сопротивление z₀ кабеля при этом определяется последовательной индуктивностью L_K и параллельной емкостью С_К участка линии:

 

 

Значения параметров L_K и С_К зависят от типа, конструкции и сечения кабеля (кабельной линии), но, как свидетельствуют справочные и экспериментальные данные, зависимость эта не значительна. Для широкого ассортимента монтажных проводов и кабелей усредненные значения этих параметров составляют:

L_K = 1 мкГн/м;

С_K = 50 пФ/м.

При этом z₀ ≈140 Ом.

 

Можно с большой степенью достоверности принять z ₀=100...200 Ом для всех применяемых в электроприводах монтажных проводов и кабелей.

Входное сопротивление z₁ кабеля представлено выходным сопротивлением полупроводниковых вентилей и внутренним сопротивлением батареи конденсаторов входного фильтра и является относительно малой величиной, которой также можно пренебречь:

z ₁<< z ₀

 

Выходным сопротивлением z ₂ кабеля является относительно большое для высокочастотного сигнала входное сопротивление АД, определяемое индуктивностью рассеяния L его обмоток и эквивалентной частотой ω _f, фронта импульса напряжения:

поэтому z₁ << z₀.

Ориентировочный расчет z₂ для АД на напряжение 0,4 кВ в диапазоне мощностей от 10 до 400 кВт при = 0,1 мкс дает следующие результаты:

для АД мощностью 10 кВт z₂ = 30 кОм,

для АД мощностью 400 кВт z₂ = 800 Ом.

В связи с вышесказанным, при прохождении крутого фронта импульса напряжения входная часть силового монтажного кабеля электропривода (со стороны АИН) работает в режиме короткого замыкания, выходная часть кабеля (на зажимах АД) - в режиме холостого хода. С учетом значений параметров волновые характеристики монтажных проводов и кабелей приближаются к характеристикам линии без искажений и потерь:

 

Равна примерно половине скорости света в вакууме. Для приведенных выше параметров L_K и C_к

v_f = 142*10⁶ м/с.

Этой скорости соответствует длина волны

Если это время больше или равно времени фронта t_f то в конце кабеля из-за его несогла­сованности с нагрузкой (z₂ >> z₀) возникает от­раженная волна напряжения n ₂ U₁, которая сум­мируется с падающей (прямой) волной напряжения U₁, образуя стоячие волны.

В результате на зажимах АД образуется напряжение

где 0< n ₂ ≤1 - коэффициент отражения.

Максимальное значение и напряжение на зажимах АД удваивается.

Возвращаясь к началу кабеля, отраженная волна гасится малым входным сопротивлением z ₁<< z ₀. Поэтому напряжение U ₁ на зажимах АИН не изменяется.

При T_f < t_f, коэффициент отражения n₂ рас­считывается по формуле:

Таким образом, от длины волны зависит кри­тическая длина кабеля. Кабель, длина которого соизмерима с длиной волны, считается "длинным кабелем".

Критической считается длина кабеля, равная половине длины волны: , при которой к обмоткам АД прикладываются импульсы напря­жения, близкие к двойному напряжению U.

В электроприводах класса напряжения 0,4 кВ перенапряжение может достигать 1000 В. С уче­том характеристик используемых IGBT в зависимости от мощности электропривода, типа электродвигателя и кабеля может составлять от 7 до 20 м.

Высокочастотные импульсные перенапряжения в сочетании с высокой крутизной фронта импульсов напряжения могут приводить к интенсивному старению и снижению срока службы изоляции обмоток двигателя.

Для ограничения волновых перенапряжений на зажимах АД используются специальные фильтры, включаемые в выходные цепи инвертора:

1) последовательный силовой синусный LC-фильтр для преобразования прямоугольно-импульсного напряжения инвертора в синусоидальное напряжение на зажимах двигателя;

2) последовательный силовой LRC-фильтр dU/dt для уменьшения крутизны фронта импульсов выходного напряжения инвертора;

3) параллельный (слаботочный) RС-фильтр ограничения перенапряжений непосредственно у зажимов двигателя (обеспечивает согласование волнового сопротивления кабеля).

4) использование ферритовых колец. Одно ферритовое кольцо может быть использовано для каждой выходной фазы или для всех фаз вместе. В первом случае уменьшаются симметричные гармоники, но есть вероятность, что ферритовые кольца перенасытятся и потеряют свою функциональную способность. В случае, когда одно ферритовое кольцо на все три фазы, перенасыщение не грозит, поскольку сумма токов равна 0, и феррит может быть загружен только несимметричными гармониками. Лучшее решение, это комбинация этих двух вариантов.