1. No category

1
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
Frekvensomriktare används att anpassa varvtalet på
asynkronmotorer. Skälen är många; energibesparing,
mjukstart, flödesstyrning, skärhastighet, positionering,
hastighetsreglering, momentreglering med mera.
Omriktarna har utvecklats från enkla fullblocks skalära
omriktare till högdynamiska vektorstyrda PWMomriktare.
Utvecklingen har dock medfört ett antal problem. Vi
ska titta på vilka problemen är och hur man kan
undvika dem.
2
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
Lagerproblem
●
Installationsproblem
●
Störningsproblem
●
Jordfelsbrytarproblem
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
●
Akustiska problem
●
Asynkronmotor, kabel och skydd konstruerades
ursprungligen för ren sinusspänning – inte taggig
PWM!
3
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
Den gemensamma nämnaren för alla dessa problem
är omriktarens utgångsspänning. I stället för en mjuk,
naturlig sinuskurva är motorspänningen sammansatt
av en mängd ”fyrkantiga” spänningskomponenter.
Varje ”fyrkant” har skarpa kanter och ger upphov till
en massa oönskade fenomen. Fenomen som man
slipper om man matar motorn med ren sinus.
För att förstå detta bättre börjar vi med att titta
på hur vanlig nätspänning kan se ut. Och hur
PWM skiljer sig från den.
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
Vanlig sinusspänning – sådan den ser ut i en
vanlig ”handske”
4
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
5
Nätspänningen är inte alltid alldeles distorsionsfri –
här ser man bland annat 550 och 650 Hz
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
Finn
fem
fel!
V
D
N
U
6
Men det är inget mot vad man har ut från en PWMomriktare...
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
UN
Närbilder på PWM – här visas ett par perioder vid
50 Hz motorspänning och 8 kHz switchfrekvens.
7
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
8
Närbilder på PWM – här visas en enstaka puls från
förra bildens PWM-spänning.
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
Lagerproblem kan orsakas av många faktorer:
●Överbelastning
●Överhastighet
●Dålig smörjning
●Hög temperatur
●Vibrationer
●Föroreningar...
...och lagerströmmar
Lagerströmmar orsakade av frekvensomriktare
med PWM-utgång har ökat de senaste tio åren.
9
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
10
Det finns tre distinkta felmekanismer:
Kapacitivt kopplad rotorspänning. Vanligt
problem vid mindre drifter (upp till 40 – 55 kW)
och ”flytande last” dvs direktdrivet fläkthjul etc.
●Stomspänning. Beror på ”dålig” jordning.
Endast vid axel ansluten till jordad maskin.
●Induktivt kopplad spänning. Endast vid stora
maskiner – flera hundra kW.
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
●
Då mindre drifter är mycket vanliga är det här som
man ser flest problem rent antalsmässigt. Stora
drifter drabbas nästan undantagslöst, men
eftersom de är få är antalet skadefall relativt litet.
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
För närmare beskrivning av lagerproblem i
samband med frekvensomriktare hänvisas till
”Sunnepresentation” som finns på CD:n.
11
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
12
Problemen bekämpas med filter och andra tekniker:
Kapacitivt kopplad spänning jordas bort med borstar
eller kolfiberring mellan axel och motorhus.
Stomspänning elimineras genom utjämnings(ekvipotential-) förbindning mellan motor och driven
maskin eller med symmetriska kablar med bra
skärm.
Induktivt kopplad spänning avhjälps med hybridlager
(isolerade lager hjälper ibland).
Alla dessa åtgärder fördyrar installationen och
kräver ofta underhåll/inspektion.
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
13
Installationsproblem
Omriktartillverkarna gör gällande att alla problem vid
installation av frekvensomriktare kan behärskas om
man noggrannt följer tillverkarens anvisningar.
Den som sett dessa anvisningar (en tillverkare har
”Tjugo enkla regler”) inser att de aldrig kan följas i en
praktisk installation. Den berömda 360-graders
förskruvningen och ”den optiskt täta skärmen” har
blivit magiska begrepp. Men magi räcker inte.
”ECK – Medvetandet ökar” (finns på CD:n) tar upp
ett antal av dessa problem.
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
14
Installationsproblem
Det är inte bara förskruvningar och skärmar som ska
till. Det behövs också filter och dessa måste anslutas
till jord så att de störande frekvenserna leds av. Detta
innebär att störningarna släpps ut i PE – och sprider
sig över hela byggnaden. Ungefär som att låta
slasktratten i köket mynna på golvet.
Krav på avstånd mellan omriktarkablar och andra
kablar är ibland rent parodiska. En tillverkare menar
att man ska hålla 1 meter fritt utrymme kring
omriktarkablarna.
Besiktning av en frekvensomriktarinstallation kan bli
ett vanskligt äventyr med hårda diskussioner.
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
15
Störningsproblem
De snabba flankerna i PWM-signalen innehåller en
mängd högfrekvenskomponenter. De första
radiosändarna arbetade efter ungefär samma
princip och skickade ut så starka och bredbandiga
signaler att det lyckades Guglielmo Marconi att
överföra information över Atlanten.
Joseph Fourier visade redan innan dess att en
fyrkantvåg innehåller stora andelar
högfrekvenskomponenter.
PWM-omriktare är stör(strålnings) källor.
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
2AT
V/Hz
A
-20dB/dek
T
tr
-40dB/dek
tidaxel
[Mardiguian: Controlling radiated emission by design]
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
16
0,32/T
0,32/tr
frekvensaxel
Det finns ett enkelt samband mellan pulsbredd,
pulsamplitud, stigtid och motsvarande störspektrum.
Hög switchfrekvens och kort stigtid ger ökad störnivå.
Störnivån är också proportionell mot pulsamplituden.
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
Nätstörningsspektrum utan och
med PWM-omriktare.
17
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
18
Jordfelsbrytarproblem
Hög frekvens innebär lågt ”växelströmsmotstånd” i
kapacitansen i filter, motor och kablar. Följden blir att
mycket ström läcker till jord utan att återvända via
fasledare eller N-ledare.
Jordfelsbrytaren uppfattar detta som avledning till
jord (vilket det ju faktskt är) och löser ut när
strömmen närmar sig 30 mA.
Jordfelsbrytare krävs i många applikationer – men
kan sällan användas i samband med PWMomriktare. Vad gör man då?
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
19
Ström i PE. Motor (2,2 kW/400 V) på labbänk.
Kabellängd ca 1 meter. Uppmätt läckström 14 mA.
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
Akustiska problem
Frekvensomriktare har vanligen mellan 1,5 och
16 kHz switchfrekvens. Det ger bra dynamik
samtidigt som switchförlusterna kan hållas låga.
Tyvärr har örat mycket hög känslighet i området
1 – 10 kHz. Faktiskt cirka 100 gånger känsligare
vid 2000 Hz än vid 50 Hz.
Det vinande/tjutande ljudet från frekvensomriktarmatade motorer gör att de blir svårplacerade i
miljöer där människor och djur vistas.
20
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
21
50 Hz sinus
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
2 kHz PWM
Örats känslighet. Ett ljudtryck på mindre än 40 dB
vid 2000 Hz motsvarar 80 dB vid 50 Hz.
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
V
Finn
fem
fel!
D
N
U
22
Att undvika fem fel
Det börjar dyka upp frekvensomriktare på
marknaden där man inriktar sig på att skapa en
mer eller mindre sinusliknande motorspänning.
Yaskawa har en omriktare som switchar i flera
nivåer. Det reducerar störningarna något – men är
ändå PWM. Siemens förvärv av Robicons kvasisinusomriktare visar att man försöker lösa
problemet. NFO Sinus är en svensk omriktare med
ren sinusutgång. Den är tillgänglig i HVAC-effekter
och eliminerar alla de problem vi behandlat ovan.
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
Finn
fem
fel!
V
D
N
U
23
Yaskawa G7 omriktare sades vid introduktionen
eliminera alla PWM-problem. Man är nu mera
realistisk och talar om reduktion av störningar med
5 till 10 dB och lagerlivslängd ca 4 gånger jämfört
med ren PWM.
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
Finn
fem
fel!
V
D
N
U
24
Robicon/Siemens använder en transformator med
flera sekundärlindningar och syntetiserar en
sinusliknande utspänning med ett antal PWMspänningar. PWM-karaktären bibehålls men
störamplituden reduceras till en tredjedel.
GKE ELEKTRONIK AB 691 92 GRANBERGSDAL
!
K
I
Finn
fem
fel!
V
D
N
U
PWM och NFO Sinus. Båda med 40 Hz frekvens.
25