Meranie analyzátorom Fluke MDA 550 na napájanie pohonu

Pohon je napájaný z elektrickej siete závodu či budovy a elektrické parametre napájacej siete zásadným spôsobom ovplyvňujú jeho prevádzkové schopnosti. Preto je veľmi dôležité poznať situáciu na napájacej sieti v mieste pripojenia meniča.

V článku sa dozviete ako na to. Ďakujeme za Váš kontakt a dôveru.

Začneme u našeho blokového schématu na obrázku 1, u napájecích svorek měniče.

Obrázek 1

Pohon je napájen z elektrické sítě závodu či budovy a elektrické parametry napájecí sítě zásadním způsobem ovlivňují provozní schopnosti měniče i motoru (v případě že je přímo připojen na síť). Na druhou stranu proud odebíraný měničem ovlivňuje zpětně napájecí síť závodu a v některých situacích zpětně i sám sebe.

Díky využívání výkonové elektroniky a dalších nelineárních zátěží v průmyslu je napětí sítě jen vzdáleně sinusové o proudu v síti závodu ani nemluvě. Pro představu na obrázku. 2 – modrá stopa – je naznačen tvar proudů odebíraného 6. pulzním usměrňovačem.  

Vidíme, že nemá se sinusovým průběhem nic společného. Proto, než se pustíme do popisu toho, co měřit na vstupních svorkách měniče a jak měření vyhodnotit a ověřit tak jak je ovlivňován napájecí cítí a současně jak ji sám ovlivňuje, je nutné si krátce připomenout základní parametry elektrické energie.

Základní parametry kvality elektrické energie a limity její kvality jsou určeny normou ČSN EN 50160. Tato norma tedy říká, kdy je „síť“ ještě v pořádku a kdy některá parametr již limit překročil. Špatná zpráva pro provoz a údržbu zařízení připojených na síť uvnitř závodě je, že kvalita definovaná touto normou je určena pro distribuční síť na primární straně transformátoru v připojovacím bodě závodu, tedy pro vztah dodavatel – odběratel.

To, co se děje na sekundární straně transformátoru napájejícího výrobní zařízení z 85 % až 95 % určují připojená zařízení. Samozřejmě, že ve výjimečných situacích dochází k přenosu především poklesů napětí z distribuční sítě na sekundární stranu, jedná se však pouze o 5 % až 10 % případů.

                            Obrázek 2

Podstatné je, že většina nekvality elektřiny, která ovlivňuje provoz elektrických zařízení v závodě je vytvářena uvnitř sítě závodu a ve většině případů dokonce vlastními měniči. Vyhodnocovat tedy kvalitu elektrické energie uvnitř závodu podle ČSN EN 50160 a říct „máme vše v pořádku“ a hledat příčinu problémů na strojích v nadřazení síti nevede k úspěchu.

O to je tedy důležitější vědět, které parametry jsou důležité, a jaké vlastnosti sítě jsou již škodlivé pro provoz pohonů.

Vyjmenujme si parametry napájecí sítě, které mohou ovlivnit provoz i životnost měničů.

První je jistě napájecí napětí a jeho stabilita, tedy nominální velikost, kolísání a nesymetrie. Dále pak krátkodobé jevy jako jsou napěťové špičky, přechodové jevy a zákmity. Další významný vliv má i zkreslení napětí sítě, tedy úroveň harmonických i neharmonických složek. Avšak velmi důležité jsou parametry proudové, které významně informují o stavu měniče, a to nesymetrie proudu a jeho zkreslení.     

Nicméně, než začneme, připomeneme si jednu ze základních elektrických veličin, kterou kromě napětí a proudu je elektrický výkon.

Na obrázku 3 vidíme časový průběh střídavého napětí, proudu a činného výkonu. Proud je zde posunut u 30^o.

Skutečný výkon přenášený takovým to systémem, například napájením motoru je dán

S = U x I

Činný výkon je tedy dán vzorcem P = U x I x cosf.

Vztah mezi jednotlivým výkony S, P výkon jalový Q, který charakterizuje vliv fázového posuvu mezi U a I je:

                                     S² = P² + Q²             cosf = P/S

V situaci měření na měniči je důležité si uvědomit že tento vztah platí pouze v případě, že jak napětí, tak i proud mají čistě sinusový průběh. To však u měničů a v průmyslu vesměs neplatí.

Na obrázku 4 je vidět situaci, kdy napětí je sinusové, ale proud je zkreslen vlivem           usměrňovače pohony a proud má specifický průběh.

Činný výkon zde v porovnání s průběhem výkonu na obrázku 3 má také nesinusový průběh. Všimněme si, že velikost činného výkonu P na obrázku 4 je rozdílná (menší) než na obrázku 3, kde jak napětí, tak i proud jsou sinusové.

Na obrázku 5 je tato situace vyjádřena graficky zavedením dalšího výkonu D, který charakterizuje pro jednoduchost vliv zkreslení proudu na rozdělení jednotlivých složek výkonu.

                  Zdánlivý výkon S je pak ve vztahu

                                  S² = P² + Q² + D²

Lze pak zavést zobecněný parametr PF (power factor), který respektuje vliv zkreslení proudu.

PF = P/S

Pak platí, že v případě, že D = 0, tedy neexistuje zkreslení je PF = cosf.  Jinak řečeno PF bude vždy menší než cosf jak je vidět na obrázku 6, který je snímkem obrazovky analyzátoru kvality. Rozdíl ve velikosti PF a cosf signalizuje přítomnost zkreslení napětí nebo proudu nebo obojího.

V případě pohonů je to ve většině případů však proud. Proud odebíraný měničem je pak vždy větší, než by odpovídalo jednoduchému kontrolnímu výpočtu praktiků I=P/U, neboť přívodními vodiči (i při nulovém fázovém posunu mezi U a I) protékají proudy harmonických složek.

Dále se budeme věnovat parametrům, které podstatně ovlivňují provoz pohonů vybavených měniči. Prvním a velmi podceňovaným parametrem, který je sledován i normou EN 50160 je napěťové nevyvážení, jinak řečeno napěťová nesymetrie třífázové sítě.

Na obrázku 7 je vidět v pravé části fázorový diagram vyvážené sítě, kdy všechna tři napětí jsou stejná, úhly mezi fázemi jsou 120^o, tedy střední bod takovéto soustavy, v praxi nulový uzel transformátoru zapojeného do hvězdy, má nulové napětí proti zemi. V levé části obrázku je naznačena soustava nevyvážená, kde napětí jednotlivých fází se liší. Střední bod soustavy je posunut z nulového bodu a jednotlivé fáze nemají odstup 120^o. Důsledky této situace na provoz měničů v praxi mohou být velmi závažné, samozřejmě v závislosti na velikosti nesymetrie.

Při nesymetrickém napájení vstupní části měniče, kterou je usměrňovač, dochází k posunu pracovního režimu usměrňovače. To způsobí změnu tvaru proudu usměrňovače odebíraného ze sítě. Proud má jiné zkreslení než při symetrickém napájení a tím i obsahuje jiné harmonické složky, které mohou způsobovat značné problémy na síti závodu a samozřejmě protékají distribučním transformátorem. Dalším významným důsledkem nesymetrie napětí napájejícího měnič, je nárůst nesymetrie proudu měničem odebíraným. Zde je nárůst proudu může být až 15 % při nesymetrii napětí 1 % Důsledky jsou nasnadě. Vysoké tepelné namáhání součástek měniče dané fáze vedoucí k náhodným poruchám napájecí části i vliv na napětí meziobvodu napájejícího spínací část a tím i na provoz motoru.

Na obrázku 8 je vidět změnu tvaru proudu 6pulzního měniče při nesymetrickém napájení. Ze standardního tvaru, odpovídajícího 6pulznímu zapojení usměrňovače v horní části obrázku, se rostoucí nesimetrií stává průběh více se blížící průběhu jednofázového dvoucestného usměrňovače, kde roste obsah třetí harmonické složky.

Jak tedy změřit nesymetrii napětí či proudu, a všechny další parametry sítě, vnitřní napětí a proudy meziobvodu i napětí a proudy na výstupu měniče.

Je možné provést měření analyzátorem kvality sítě a pak osciloskop s izolovanými kanály.

Mnohem snazší je použít  přístroj s názvem MDA 550 - Motor Drive Analyzer (obrázek 9) vyvinutý  firmou Fluke, který zahrnuje všechny potřebné funkce pro ověřování stavu měniče počínaje vstupními svorkami a konče hřídelí motoru.

V v následujících částech našeho seriálu si postupně probereme, jak tímto přístrojem ověřit parametry napájení, tedy nesymetrií napětí a proudu, ale i všechny parametry potřebné pro ověření správné činnosti měniče.

Analyzátor pohonů Fluke MDA 550III

Fotografia

Analyzátory pohonov Fluke radu MDA-550 III

Šetrí čas a eliminujú zložité nastavovanie pri komplexných meraniach a zjednodušujú hľadanie problémov )nejen) na frekvenčných meničoch.