Izolační systém motoru je vystaven vyššímu dielektrickému namáhání, když je napájen z měniče, než v případě čistě sinusového napájení střídavým proudem.
Příčiny
Napěťový měnič vytváří pravoúhlé impulzy napětí s pevnou amplitudou, které mají proměnnou šířku a kmitočet. Amplituda napětí impulzů na výstupu měniče není větší než u napětí na stejnosměrné sběrnici (poměrná hodnota je 1). Tato hladina závisí na hladině usměrněného napětí sítě nebo brzdného napětí, nebo na regulačním napětí korekce účiníku.
Doby náběhu výstupního napětí moderních měničů nízkého napětí mohou být v rozsahu 50 ns - 400 ns. Jsou co nejkratší, aby u výstupních polovodičů byly omezeny na minimum ztráty vznikající spínáním. Tyto měniče mohou na svorkách motoru připojeného kabelem vytvářet opakované překmity napětí, což může zkrátit životnost izolačního systému motoru, pokud tyto překmity překročí opakovatelnou hodnotu jeho pevnosti napětí.
V závislosti na době náběhu napěťového impulzu na výstupu měniče a na délce kabelu a impedanci motoru vytvářejí impulzy na svorkách motoru překmity napětí (v typickém případě až do poměrné hodnoty 2 mezi fázemi a mezi fází a zemí). Tyto překmity napětí jsou vytvářeny odraženými vlnami na rozhraní mezi kabelem a svorkami motoru v důsledku nepřizpůsobení impedance a závisejí na výstupu měniče, na délce kabelu mezi měničem a motorem a na svorkové impedanci motoru. Tento jev je plně vysvětlen teorií přenosového vedení a postupující vlny za použití obsahu harmonických výstupního napětí. Se snižující se dobou náběhu se kmitočty ve tvaru vlny napětí budou zvyšovat. Typické napěťové rázové impulzy naměřené na výstupu měniče a na svorkách motoru jsou na obr. 1 se zvětšeným pohledem na jeden rázový impulz na obr. 2.
Legenda: C - fázové napětí na měniči, M - fázové napětí na motoru
Se zvětšující se délkou kabelu se obvykle překmit impulzu zvyšuje na maximum a potom klesá. Mezitím se zvětšuje doba náběhu impulzu na svorkách motoru. U impulzů s krátkou dobou náběhu (na výstupu měniče) při délkách kabelu větších než asi 20 m až 50 m (v závislosti na typu kabelu
a jiných faktorech) je doba náběhu impulzů napětí na svorkách motoru určena hlavně charakteristikami kabelu a nepřizpůsobením impedance mezi kabelem a motorem, a již ne dobou náběhu na měniči.
Překmity napětí se snižují v případě instalací používajících decentralizovanou topologii (měniče instalované v blízkosti přidružených motorů), kde je délka kabelu mezi měničem a motorem malá.
Překmity napětí nevznikají, jestliže je měnič integrován do motoru, takže délka kabelu mezi měničem a motorem je omezena pouze na asi 10 cm.
Vyšší napěťové namáhání nad poměrnou hodnotu větší než 2 může být vytvářeno dvojitým přechodem měniče (příčné spínání) nebo vícenásobnými odrazy takto:
- K dvojitému přechodu dochází například tehdy, když jedna fáze spíná z minusu do plusu napětí stejnosměrné sběrnice ve stejném okamžiku, kdy jiná fáze spíná z plusu do minusu. To vytváří napěťovou vlnu s poměrnou hodnotou 2, která postupuje do motoru. Je-li odražena na svorkách motoru, může se potom zvýšit na větší přepětí, než s poměrnou hodnotou 2.
- Je-li doba mezí dvěma impulzy shodná s dobou průchodu impulzů mezi měničem a motorem, může být vytvářeno na svorkách motoru přepětí větší, než s poměrnou hodnotou 2.
- Pokud kabel sestává z několika částí, k odrazům bude docházet při každém nepřizpůsobení impedance a je tedy třeba věnovat těmto případům zvláštní pozornost.
Elektrické namáhání vinutí
Dielektrické namáhání izolace vinutí je dáno špičkovým napětím a dobou náběhu (obr. 3) impulzu na svorkách motoru, a dále kmitočtem impulzů vytvářených měničem.
Jedna část namáhání je určena hladinou napětí přiloženého na hlavní izolaci (mezi fázemi nebo mezi fází a zemí) cívek vinutí. Druhá část je omezena mezizávitovou izolací a určena dobou náběhu impulzů. Impulzy s krátkou dobou náběhu mají za následek nerovnoměrné rozdělení napětí na cívkách, s vysokými hladinami namáhání na několika prvních závitech jednotlivé fáze vinutí ze strany sítě. Na obr. 4 je příklad rozdělení napětí na tvarované cívce s 50 závity v závislosti na době náběhu impulzu. Jak je zřejmé, čím kratší je doba náběhu, tím vyšší napětí se objeví na prvním závitu cívky.
Impulzy s krátkou dobou náběhu na svorkách motoru rovněž způsobují vysoká napětí mezi vodiči v prvních závitech každé fáze vinutí a může po nich následovat brzy dielektrický průraz mezi vodiči. Takové jevy jsou často způsobeny nedostatečnou dielektrickou pevností smaltového povlaku. V tomto případě dochází k dielektrickému průrazu hodně pod hladinou počátečního napětí částečných výbojů (PDIV). Poruchy izolace tohoto typu nelze zjistit standardní dielektrickou zkouškou při 50 Hz nebo 60 Hz. Vyvíjejí se nové ověřovací metody pro zkoušení takových průrazů izolace. Je možné pozorovat, že doba náběhu impulzů napětí na svorkách motoru se zvětšuje s délkou kabelu v důsledku vysokofrekvenčních ztrát v kabelu.
Legenda: ΔV - napětí na prvním závitu (v % napětí proti zemi), tr - doba náběhu impulzu
Omezení namáhání izolace
Horní limitovaná hladina, při níž se toto namáhání přepětím stává škodlivým, je PDIV (napětí, při němž se začínají vyskytovat částečné výboje), nebo ve vzduchu napětí vzniku koróny (CIV). Částečně výboje způsobují degradaci izolačního systému prostřednictvím jak chemické, tak mechanické eroze. Míra degradace izolace závisí na energii a četnosti výskytu částečných výbojů. PDIV a CIV v motoru jsou ovlivněny:
- typem vinutí: vsypávané nebo tvarované;
- návrhem: materiál pro oddělování fází;
- typem laku a impregnací;
- velikostí vodičů: vodič většího průměru má vyšší PDIV;
- typem izolace vodičů;
- tloušťkou smaltu: silnější smaltový povlak vodiče zvyšuje PDIV;
- pracovní teplotou: když se zvyšuje teplota vinutí, PDIV se snižuje (v typickém případě o 30 % při zvýšení z 25 °C na 155 °C);
- okolní atmosférou (složení a tlak);
- stavem izolace (kontaminace nečistotami nebo vlhkostí atd.).
Na obr. 5 je znázorněn impulz částečného výboje, který je důsledkem rázového impulzu v jedné fázi motoru napájeného z měniče.
Legenda: S - napěťový rázový impulz na svorkách motoru, D - impulz výboje
Odpovědnost
Dodavatel systému je odpovědný za stanovení hladiny namáhání napětím na svorkách motoru se zřetelem na možný odraz napětí v závislosti na topologii a pracovním režimu měniče, typu a délce kabelu, uzemnění atd. Relevantní parametry pro namáhání izolace jsou tyto: hodnoty přechodného špičkového napětí, doba náběhu, opakovači kmitočet atd.
Výrobce motoru má zkontrolovat odolnost proti namáhání napětím podle specifikace dodavatele systému. Aby se zajistilo, že nedojde k žádnému omezení provozní životnosti izolace motoru, má být skutečné namáhání způsobené provozem měniče nižší, než je odolnost izolačního systému vinutí motoru proti opakovanému namáhání napětím.
Na obr. 6 je znázorněno impulzní napětí pro mezifázovou izolaci pro motory napájené z měničů, které mají pasivní usměrňovači stupně (diodový můstek), kde napětí stejnosměrného meziobvodu nemůže být zvýšeno rekuperačním provozem.
Namáhání izolace mezí fází a zemí může být ovlivněno konfigurací uzemnění PDS. Má-li stejnosměrný meziobvod napětí skutečně plovoucí vůči zemi, toto namáhání může být až dvojnásobkem sdruženého napětí.
Legenda: A - bez filtru u motorů do 500 V AC, B - bez filtrů u motorů do 690 V AC
* Příklady naměřených výsledků při napájení 415 V pro různé délky pancéřovaného kabelu.
Charakteristiky měniče
Amplituda impulzů výstupního napětí je obecně napětí stejnosměrné sběrnice, které závisí na napájecím napětí sítě a typu vstupního usměrňovače (pasivní nebo aktivní, se zvýšením napětí nebo bez něho), a obvykle se zvyšuje při rekuperačním provozu (například při brzdění).
Doba náběhu impulzů závisí na spínacích charakteristikách výkonových polovodičů a jejich budicím obvodu, případně na jejich odlehčovacích obvodech.
Metody pro omezení namáhání napětím
V dané situaci existuje několik možných metod pro omezení intenzity rázových impulzů. Některé z nich jsou spolu s jejich důsledky uvedeny níže.
- Přestože je to často obtížné nebo neproveditelné, změna délky kabelu a/nebo uzemnění kabelu mezi motorem a měničem změní velikosti rázových impulzů z hlediska motoru.
- Změna instalace na takovou instalaci, která používá decentralizovanou topologii nebo používá kombinace motorů s integrovanými měniči, sníží překmity napětí.
- Nahrazení kabelu typem s vyššími dielektrickými ztrátami (například butylkaučuk nebo olejový papír). Jsou k dispozici speciální typy motorových kabelů s použitím feritového stínění. Tyto kabely redukují oscilace napětí a zvyšují kvalitu EMC.
- Instalování výstupní tlumivky zvětší dobu náběhu a sníží špičkové napětí postupné vlny v kombinaci s kapacitou kabelu.
- Instalování výstupního filtru du/dt mezi měnič a kabel vedoucí do motoru výrazně zvětší dobu náběhu rázových impulzů. Toto řešení může umožnit použití delších kabelů.
- Instalování výstupního sinusového filtru zvětší dobu náběhu. Možnost použití tohoto řešení závisí na požadovaných charakteristikách, zejména na rozsahu otáček a dynamických vlastnostech aplikace. Filtr typu 1) sníží namáhání napětím jak mezi fázemi, tak fáze proti zemi, zatímco filtr typu 2) pouze sníží namáhání napětím mezi fázemi. Kromě toho takový filtr omezí rušení EMC a přídavné ztráty motoru a hluk. S filtrem typu 1) mohou být také použity standardní nestíněné kabely.
- Instalování připojovací jednotky s filtry na svorkách motoru potlačí přepětí na svorkách motoru.
- Zabránění příčnému spínání fází měniče.
- Řízení minimální doby mezi impulzy u měniče (v závislosti na typu a délce kabelu).
- Nahrazení měniče měničem vytvářejícím menší kroky napětí, například trojúrovňovým měničem.
Výběr motoru
Přípustné namáhání izolačního systému ímpulzním napětím je určeno jeho provedením. Všeobecně jsou pro asynchronní motory nízkého napětí k dispozici tyto dvě úrovně odolnosti proti impulzům.
- Úroveň odolnosti podle křivky A na obr. 6.
Při používání měničů bez jakýchkoliv metod pro omezení namáhání napětím jsou takové motory vhodné pro PDS do hodnoty střídavého napájecího napětí 500 V. Řízení měniče však musí zabránit dvojitým přechodům a zajistit řízení minimální doby impulzu. - Úroveň odolnosti podle křivky B na obr. 6.
Při používání měničů bez jakýchkoliv metod pro omezení namáhání napětím jsou takové motory vhodné pro PDS do hodnoty střídavého napájecího napětí 690 V. Řízení měniče však musí zabránit dvojitým přechodům a zajistit řízení minimální doby impulzu.
