Długość kabla silnikowego w instalacjach z falownikami — odbicie napięcia i wybór między filtrem dv/dt a filtrem sinusoidalnym

Przewodnik o symetrycznej budowie kabla silnikowego VFD omawia, dlaczego przewód(y) uziemiające kabla silnikowego falownika muszą być rozmieszczone symetrycznie wokół faz, aby ograniczyć prądy łożyskowe common-mode. Ten artykuł omawia inne zjawisko fizyczne dotyczące tego samego kabla: odbicie napięcia, które pojawia się w miarę wydłużania kabla między falownikiem a silnikiem, i które może wystąpić niezależnie od symetrycznej budowy kabla.

Zjawisko: kabel jako linia transmisyjna

Falownik przełącza swoje tranzystory wyjściowe (zwykle IGBT) z bardzo stromymi zboczami przełączania — czas narastania napięcia rzędu kilkuset nanosekund do kilku mikrosekund. Gdy kabel między falownikiem a silnikiem jest wystarczająco długi w stosunku do tego czasu narastania, kabel zachowuje się elektrycznie jak linia transmisyjna: impedancja falowa kabla różni się od impedancji uzwojenia silnika, przez co impuls napięciowy jest częściowo odbijany na końcu przy silniku. Odbicie to może się nałożyć na impuls przychodzący, dając w efekcie pik napięcia na zaciskach silnika sięgający około dwukrotności napięcia szyny DC falownika — obciążenie, na które izolacja uzwojenia zwykłego silnika nie jest zaprojektowana.

NEMA MG1 Part 30 a Part 31

NEMA MG1 Part 30 (dla silników ogólnego przeznaczenia, nie zaprojektowanych specjalnie do zasilania z falownika) zakłada system izolacji zdolny wytrzymać powtarzające się piki napięcia do 1000 V przy czasie narastania co najmniej 2 mikrosekund. NEMA MG1 Part 31 (silniki "inverter-duty", zaprojektowane specjalnie do zasilania z falownika, z bardziej wytrzymałym systemem izolacji) dopuszcza znacznie większe obciążenie: piki napięcia do 1600 V, przy czasie narastania już od 0,1 mikrosekundy. Zwykły silnik Part 30 zasilany długim kablem przez nowoczesny falownik IGBT może więc łatwo przekroczyć piki napięcia, na jakie został zaprojektowany.

Uwaga: dokładna długość kabla, powyżej której pojawiają się problemy z odbiciem, nie jest stałą liczbą — zależy od czasu narastania stosowanego falownika, właściwości kabla oraz napięcia znamionowego instalacji. Przy konkretnym projekcie należy sięgnąć do tabel długości kabli producenta falownika, zamiast stosować uniwersalną regułę praktyczną.

Dwa rodzaje filtrów, dwa zakresy zastosowania

Aby ograniczyć odbicie napięcia przy długościach kabla przekraczających granicę podaną przez producenta falownika, istnieją dwie główne kategorie filtrów wyjściowych:

• Filtr dv/dt (nazywany też dławikiem wyjściowym lub dławikiem obciążenia w najprostszej wersji): spowalnia czas narastania zbocza przełączania na tyle, by utrzymać pik napięcia w akceptowalnych granicach przy umiarkowanych długościach kabla. Jest to zwykle najbardziej opłacalne rozwiązanie, dopóki długość kabla nie przekracza znacznie granicy podanej przez producenta.
• Filtr sinusoidalny: przekształca prostokątny sygnał wyjściowy PWM falownika w niemal czysto sinusoidalne napięcie, usuwając problem odbicia u źródła, a nie tylko go ograniczając. Filtr sinusoidalny nie ma zatem żadnej stałej maksymalnej długości kabla, ale jest znacznie droższy niż filtr dv/dt — w praktyce stosowany głównie przy bardzo długich trasach kablowych (na przykład setki metrów, jak w przypadku zdalnie umieszczonego silnika pompy).

Znaczenie praktyczne

Przy projektowaniu obwodu silnika zasilanego z falownika, w którym długość kabla zbliża się do granicy producenta lub ją przekracza, należy najpierw ustalić, czy silnik jest wykonaniem Part 30 czy Part 31 (lub odpowiednikiem europejskim), a następnie czy wystarczy filtr dv/dt, czy potrzebny jest filtr sinusoidalny — niezależnie od tego, czy sam kabel jest już zbudowany symetrycznie przeciwko prądom łożyskowym (zob. przewodnik o symetrycznej budowie kabla silnikowego). Oba środki mogą być potrzebne jednocześnie, ponieważ rozwiązują dwa różne problemy.

Częste błędy

1. Mylenie odbicia napięcia wynikającego z długości kabla z prądami łożyskowymi common-mode — to dwa odrębne zjawiska fizyczne, z których każde ma inne rozwiązanie (filtr kontra symetryczna budowa kabla i uziemienie ekranu).
2. Podłączanie zwykłego silnika Part 30 długim kablem bez rozważenia filtra, zakładając, że silnik "i tak jest wystarczająco odporny" na falownik.
3. Stosowanie filtra dv/dt przy długości kabla znacznie przekraczającej granicę producenta — przy bardzo długich trasach potrzebny jest filtr sinusoidalny, sam filtr dv/dt wtedy nie wystarczy.
4. Zakładanie stałej, uniwersalnej granicy długości kabla (na przykład "zawsze 50 metrów") zamiast sięgnięcia do konkretnej tabeli producenta falownika, która zależy od napięcia, częstotliwości przełączania i typu kabla.

Powiązane

• Kabel silnikowy do falowników — symetryczna budowa przeciwko prądom łożyskowym
• Napięcie resztkowe szyny DC — czas rozładowania kondensatorów w falownikach
• Uziemienie i EMC w falownikach
• Uziemienie ekranu kabla — jednostronne czy obustronne