Возможные электротехнические проблемы при использовании частотных преобразователей

Несмотря на безусловные преимущества частотно-регулируемых приводов (Variable Frequency Drives – VFD) в аспектах запуска электродвигателей с минимальными негативными явлениями (высокий пусковой ток, падение напряжения), точности регулирования процессов, энергосбережения и даже рекуперации энергии (см. более детально в первом материале цикла) их применение связано с рисками возникновения ряда электротехнических проблем. Эти проблемы можно условно разделить на внутрисистемные, т.е. напрямую влияющие на компоненты привода, включая электродвигатель, и «внешние», оказывающие негативное воздействие на силовую сеть.

Среди «внешних» - типичные для частотных (и любых других) преобразователей (генерация электромагнитных помех и наброс токов гармоник в силовую сеть со всеми негативами таких событий). Из внутрисистемных, особенно проявляющихся в трехфазных асинхронных двигателях, питаемых VSD на основе инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией (VSI-PWM) - повышение внутренней температуры, частичные разряды и пробой системы изоляции обмоток статора, высокие токи в подшипниках.

Внутрисистемные электротехнические проблемы при использовании частотных преобразователей - влияние на электродвигатели в приводе.

Повышение температуры и потерь в электродвигателе.

При работе VSD на основе инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией происходит повышение внутренней температуры электродвигателя (в основном из-за генерации гармоник при переключении полупроводниковых вентилей), что приводит к росту потерь в стали и обмотках, и, соответственно, общие потери обычно увеличиваются на 15–35% при коэффициентах нагрузки выше 60%. Согласно закону Аррениуса, повышение рабочей температуры на 10 °C ведет к снижению срока службы изоляции и смазочных материалов на 50% и 35% соответственно, что сокращает и срок службы всего электродвигателя. В случае самоохлаждающихся двигателей повышение температуры может быть также вызвано снижением скорости двигателя и, следовательно, потока охлаждающего воздуха, а поэтому в случае преимущественного режима работы в диапазоне низких скоростей (ниже 70% от номинальной) может потребоваться внешнее принудительное охлаждение.

Помимо увеличения потерь двигателя, 5-я, 11-я и 17-я гармоники даже в небольших амплитудах уменьшают пусковой крутящий (вращающий - по ГОСТ IEC 60034-1-2014 и др.) момент, а также долю активной составляющей в полной мощности, включающей активную, реактивную мощность на фундаментальной частоте (на создание электромагнитного поля в обмотках, потери от реактивных токов) и мощность искажений на нефундаментальных частотах (мощность гармоник, сверх-, интергармоник), и, соответственно, коэффициент мощности и энергоэффективность электродвигателя.

Частичные разряды и пробой изоляционной системы.

Из-за характера выходного напряжения частотного преобразователя на основе инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией с высоким значением dv/dt (в VSD с биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT) время нарастания импульса составляет 70–100 нс), а также разницы импеданса двигателя и кабеля, в силовом кабеле между VSD и электродвигателем возникают эффекты интерференции (наложения) прямых и отраженных волн с высокими значениями напряжения, особенно если кабель по длине не менее 10-15 метров.

Этот эффект может привести к очень высоким пиковым переходным напряжениям (в 2–5 раз больше нормальных значений импульса с временем нарастания 0,2 с) на клеммах двигателя и к эффекту частичного разряда в воздушных полостях системы изоляции с их увеличением до тех пор, пока не произойдет короткое замыкание. Вместе с тем, если переходное напряжение превысит диэлектрическую прочность изоляции, короткое замыкание может произойти и без эффекта частичного разряда, поскольку изоляция рассчитана на определенную величину (и продолжительность циркуляции) емкостных паразитных токов.

Токи высоких частот в подшипниках электродвигателя.

Из-за паразитных емкостей асинхронного двигателя между обмотками и корпусом, обмотками и валом, валом и корпусом, а также внутри подшипников, могут циркулировать высокочастотные токи, которые имеют два основных различных режима, но одну и ту же первичную причину - синфазное напряжение, генерируемое на выходе VSD из-за дисбаланса трех выходных форм напряжения ШИМ.

Первый режим тока является следствием генерируемого напряжения между валом и землей из-за паразитных емкостей, что обуславливает циркуляцию емкостных и резистивных высокочастотных токов через оба подшипника. Второй режим является следствием напряжения между концами вала, индуцированного циркуляцией высокочастотного синфазного тока в обмотках и между ними и корпусом. Наличие напряжения между концами вала приводит к циркуляции емкостного и резистивного тока высокой частоты по замкнутому контуру, образованному обоими подшипниками, валом и корпусом.

В обоих режимах постоянная циркуляция резистивных и емкостных токов, хотя и имеет низкую амплитуду, приводит к ускоренной деградации смазки, шариков и дорожек качения. А если между шариками и дорожками качения одного или обоих подшипников возникает мгновенный электрический контакт, и между концами вала или между валом и землей существует значительное напряжение, происходит электрический разряд (характеризующийся высокой плотностью тока), приводящий к серьезным повреждениям поверхностей шариков и дорожек (канавки, питтинг), что существенно сокращает срок службы и смазки, и подшипников.

Гармоники и электромагнитные помехи.

Входной каскад VSD является источником эмиссии гармоник, которые могут нарушать работу, в том числе через дополнительные потери и повышение температуры другого оборудования в силовой сети (электродвигатели, трансформаторы, кабели, конденсаторные батареи и др.).

В случае использования трехфазных диодных выпрямителей на входном каскаде нечетные гармоники обратной последовательности (5-я и 11-я) особенно опасны с точки зрения увеличения потерь, а также рисков:

• перегрева генераторов, двигателей, трансформаторов и силовых кабелей, приводящего к преждевременному выходу оборудования из строя;
• выхода из строя конденсаторов, конденсаторных батарей, модулей, установок;
• частого срабатывания защитных реле и автоматических выключателей;
• создания помех работе системам связи и чувствительным электронным устройствам, включая программируемые логические контроллеры (ПЛК), используемые для управления теми же частотно-регулируемыми приводами.

Более детально о «внешних» (сетевых) проблемах при использовании частотных преобразователей в приводах с регулируемой скоростью в следующем материале цикла.