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 Ud (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 tf.
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 rК и параллельной активной проводимостью gK участка линии можно пренебречь. Волновое сопротивление z0 кабеля при этом определяется последовательной индуктивностью LK и параллельной емкостью СК участка линии:
Значения параметров LK и СК 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:
LK = 1 мкГн/м;
СK = 50 пФ/м.
При этом z0 ≈140 Ом.
Можно с большой степенью достоверности принять z0=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:
z1<<z0
Выходным сопротивлением z2 кабеля является относительно большое для высокочастотного сигнала входное сопротивление АД, определяемое индуктивностью рассеяния L его обмоток и эквивалентной частотой ωf, 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 LK и Cк
vf = 142*106 м/с.
Этой скорости соответствует длина волны
Если это время больше или равно времени фронта tf то в конце кабеля из-за его несогласованности с нагрузкой (z2>>z0) возникает отраженная волна напряжения n2 U1, которая суммируется с падающей (прямой) волной напряжения U1, образуя стоячие волны.
В результате на зажимах АД образуется напряжение
где 0< n2 ≤1 - коэффициент отражения.
Максимальное значение и напряжение на зажимах АД удваивается.
Возвращаясь к началу кабеля, отраженная волна гасится малым входным сопротивлением z1<<z0. Поэтому напряжение U1 на зажимах АИН не изменяется.
При Tf<tf , 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.
Дата добавления: 2017-11-21; просмотров: 1543;