W każdym obiekcie, w którym zainstalowany został zautomatyzowany proces występuje ryzyko awarii. Często oprócz zniszczonych urządzeń straty materialne są zwielokrotnione przez godziny przestoju. Jedną z przyczyn uszkodzeń systemu regulacji opartego na przemienniku częstotliwości mogą być przepięcia.

Trójfazowy przemiennik częstotliwości, potocznie zwany falownikiem lub przetwornicą częstotliwości, składa się z prostownika, stopnia pośredniego, inwertera i jednostki sterującej. Napięcie zmienne zasilające doprowadzone na wejście przetwornicy zostaje zamienione przez prostownik na stałe pulsujące. W kolejnym stopniu jest ono buforowane – stopień pośredni pełni funkcje magazynu energii. W zależności od pożądanego charakteru bufora do jego budowy wykorzystuje się odpowiednie elementy indukcyjne i pojemnościowe (dławiki, baterie kondensatorów). Następnie poprzez elektroniczne sterowanie następuje taka konfiguracja całego systemu, by w efekcie końcowym na wyjściu inwertera użytkownik uzyskał zadaną częstotliwość.

Rys. 1. Schemat blokowy przemiennika częstotliwości

Gdzie mogą pojawić się kłopoty?

Zarówno pojemności w stopniu pośrednim, jak i połączony z ziemią obwód LC filtra może powodować problemy współpracy z zabezpieczeniami różnicowo-prądowymi (RCD). Krótkotrwałe zwarcia doziemne generowane przez przemiennik są wystarczające, by aktywować RCD. Często problemy te są błędnie przypisywane zastosowanym ogranicznikom przepięć. Warto nadmienić w tym miejscu, że standardowy aparat RCD z ustawionym progiem I_Δn= 30 mA ma zdolności rozładowcze 3 kA (8/20 ms).
Elektroniczne sterowanie dostarcza odpowiednie impulsy zegarowe sterujące inwerterem. Im większa jest częstotliwość tych impulsów, tym wyjściowe napięcie ma przebieg bardziej zbliżony do sinusoidy. W każdym cyklu tworzy się impuls napięciowy i nakłada się na krzywą częstotliwości fundamentowej. Impuls ten może mieć wartość 1200 V, a nawet większą. Dążąc do wytworzenia lepszej sinusoidy (z mniejszymi zniekształceniami), należy zwiększyć częstotliwość zegara sterującego (większa sprawność i poprawa sterowania silnikiem). Przekłada się to proporcjonalnie na częstość przełączania tyrystorów, tranzystorów inwertera i generowania w każdym cyklu impulsów napięciowych.

Rys. 2. Graficzne przedstawienie przetwornicy z dobranymi urządzeniami SPD

Biorąc pod uwagę możliwe zagrożenia przepięciowe, należałoby się zastanowić nad zastosowaniem ograniczników przepięć. W celu dobrania odpowiedniego urządzenia ograniczającego przepięcia (SPD) należy ustalić maksymalne napięcie trwałej pracy urządzenia – U_c. Zasada jest taka, że ogranicznik ma mieć wyższe napięcie trwałej pracy U_c, niż przemiennik częstotliwości. Niespełnienie tego założenia będzie skutkowało nadmiernym grzaniem elementów wewnętrznych SPD, a następnie uszkodzeniem termicznym. Zazwyczaj wyjściowe napięcie z przemiennika jest nieco wyższe niż napięcie wejściowe. Jest to zabieg celowy, podnoszący napięcia o około +5% w celu np. kompensacji spadków na przyłączonej linii.
Rysunek 2 obrazuje użycie ograniczników przepięć DEHNguard w linii zasilającej i Blitzductor w linii sygnałowej. Należy pamiętać, że do każdego urządzenia, interfejsu dobiera się indywidualne zabezpieczenie. Wartości napięć w torach zasilania czy też zastosowane protokoły transmisji w torach sygnałowych zazwyczaj są użytkownikowi znane. Gorzej natomiast jest z parametrami charakteryzującymi urządzenia pod względem wytrzymałości udarowej, emisji i odporności na zakłócenia. Producent powinien dostarczyć użytkownikowi takie dane. Jeżeli jego produkt spełnia normy, oznacza to, iż przeszedł pozytywnie odpowiednie próby. Tabela 1 zawiera zestawienie norm dotyczących wymagań stawianych przemiennikom częstotliwości.
Wysoka częstotliwość na wyjściu przemiennika częstotliwości generuje szerokie pole zakłóceń. Dlatego niezbędna jest osłona, ekranowanie przewodów, aby nie następowało przenikanie tych zakłóceń. Ekranowanie linii zasilającej, obustronne uziemienie przemiennika i silnika poprawia zdecydowanie zdolności układu pod względem kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Zapewnienie wymaganej dużej powierzchni styku ekranu z uziemieniem można uzyskać, stosując obejmy (rys. 3). Dzięki tym środkom można stworzyć dobre połączenie z uziemieniem, redukując tym samym powstawanie różnicy potencjałów między elementami instalacji.

Rys. 3. Ekranowanie linii zasilającej silnika spełniające wymogi kompatybilności elektromagnetycznej

Zalecenia producentów

W instrukcjach montażowych producenci przetwornic często podają specjalne wymagania, co do podłączenia, usytuowania urządzenia. Jednym z zaleceń firmy Toshiba jest stosowanie ograniczników przepięć tam, gdzie falownik jest zainstalowany blisko urządzeń takich jak cewki indukcyjne, hamulce, stycznik, lampy wyładowcze, rezystory. W warunkach rzeczywistych w zasadzie zawsze można znaleźć takie elementy.
Należy pamiętać, że w celu zintegrowania przetwornicy z resztą automatyki w obiekcie w taki sposób, aby cały system pracował bezbłędnie, niezbędne jest wyposażenie linii zasilających i sygnałowych w urządzenia ograniczające przepięcia.

Artur Grębowiec
Autor jest pracownikiem
firmy Dehn Polska