ANALIZY  BADANIA  PRZEGL
DY
Wpływ przekształtnikowych układów napędowych
na jakość energii elektrycznej
Jarosław A
uszcz, Marek Olesz
Negatywne oddziaływanie przekształtnikowych układów Ze względu na obowiązujące ograniczenia emisyjności urządzeń
napędowych z silnikami prądu przemiennego na poziom zasilanych z sieci przemysłowych i publicznych, wynikające z przepi-
jakości energii w elektroenergetycznej sieci zasilającej sów normalizacyjnych, wymieniona wada stanowi poważny problem
jest jednym z ważniejszych problemów konstrukcyjnych techniczny, którego rozwiązanie w złożonych układach aplikacyjnych
współczesnych układów energoelektronicznych. Analizy wymaga niejednokrotnie interdyscyplinarnej wiedzy technicznej oraz
widmowe prądów pobieranych przez przekształtnikowe prowadzi do znacznych dodatkowych nakładów technicznych i finan-
układy napędowe w typowych układach aplikacyjnych sowych. Ze względu na rozległy zakres częstotliwości występowa-
potwierdzają występowanie znacznych zniekształceń, nia niekorzystnych oddziaływań (od 50 hz do co najmniej 1 ghz),
które mogą przekraczać poziomy dopuszczalne określane zjawiska te rozpatruje się w określonych przedziałach częstotliwości,
przez odnośne przepisy normalizacyjne. Przedstawione związanych z charakterem zachodzących zjawisk.
wyniki badań eksperymentalnych pozwalają na oszacowanie w przekształtnikowych układach napędowych najczęściej wy-
wpływu wejściowych dławików prądu przemiennego stępują problemy związane z zapewnieniem odpowiednio niskiego
stosowanych w przekształtnikowych układach napędowych poziomu emisji w zakresie zaburzeń radioelektrycznych przewo-
na wypadkowy poziom zniekształceń pobieranego prądu dzonych (10 khz�30 Mhz). Coraz częściej problemy te dotyczą
oraz wartości poszczególnych składowych harmonicznych. również zakresu niższych częstotliwości (do 10 khz), związanych
z występowaniem zniekształceń harmonicznych prądów i napięć,
Przekształtnikowe układy napędowe z silnikami prądu przemien- istotnie związanych z zagadnieniami jakości energii elektrycznej.
nego są obecnie powszechnie stosowane w wielu aplikacjach prze- Natomiast w zakresie częstotliwości powyżej 30 Mhz najważniej-
mysłowych, a także coraz częściej eksploatowane w środowiskach szym zjawiskiem jest promieniowanie elektromagnetyczne urządzeń
uznawanych za mieszkalne lub lekko uprzemysłowione. Możliwość elektrycznych, które może być przyczyną wzajemnego zakłócania
płynnej regulacji częstotliwości wyjściowej, poprzez zastosowanie urządzeń technicznych, ale także stanowi zagrożenie dla środowiska
trójfazowego mostka tranzystorowego z modulacją szerokości im- elektromagnetycznego, w tym również dla organizmów żywych.
pulsów PwM, pozwala na regulację prędkości obrotowej silników
Przekształtnik jako z
ródło zniekształceń harmonicznych
asynchronicznych w szerokim zakresie.
Oprócz niewątpliwych powszechnie znanych zalet takich układów klasyczne rozwiązania techniczne przetwornic częstotliwości
napędowych, nie są one również pozbawione wad, które nabierają stosowanych w układach napędowych prądu przemiennego małych
szczególnego znaczenia przy wzrastającej ilości układów napędo- mocy zawierają po stronie zasilania trójfazowe prostowniki diodo-
wych tego typu instalowanych we wspólnym środowisku użytkowa- we sześciopulsowe (rys. 1).
nia. Jedną z podstawowych wad jest wysoki poziom emisji elektro- Obciążeniem prostownika sieciowego jest obwód pośredniczący
magnetycznej w bardzo szerokim zakresie widma częstotliwości. prądu stałego z baterią kondensatorów elektrolitycznych o znacznej
Dr inż. Jarosław A
uszcz, dr inż. Marek Olesz  Wydział Rys. 1. Schemat blokowy typowego układu napędowego z silnikiem prądu przemiennego
Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej i przekształtnikowym zasilaniem poprzez falownik napięcia PwM
Rok LXXV 2007 nr 6 3
 ANALIZY  BADANIA  PRZEGL
DY
pojemności, dostosowanej do mocy występujących obciążeń oraz
dopuszczalnych poziomów tętnień napięcia wyprostowanego w ob-
wodzie pośredniczącym prądu stałego. Obciążenie pojemnościowe
prostownika diodowego ma wyjątkowo niekorzystny wpływ na
przebiegi prądów pobieranych z sieci zasilającej.
Zwiększanie pojemności w obwodzie pośredniczącym pozwala
zmniejszyć poziom tętnień napięcia wyprostowanego oraz powo-
duje, że prądy wejściowe prostownika mają charakter impulsowy
znacznie różniący się od przebiegu sinusoidalnego. Praca takiego
układu w stanie ustalonym powoduje pobieranie z sieci zasilającej
prądów zawierających składowe harmoniczne o znacznych amplitu-
dach, w zakresie częstotliwości do 2 khz. Dodatkowym problemem
eksploatacyjnym jest również załączanie do sieci takich układów,
które powoduje występowanie prądów rozruchowych wielokrotnie
przekraczających wartości znamionowe. Ograniczanie wartości po-
bieranych prądów w stanach rozruchowych, a także podczas pracy zbadano wpływ zastosowanych dławików wejściowych o różnych
w warunkach ustalonych wymaga stosowania zewnętrznych dławi- wielkościach na parametry jakości energii pobieranej przez falow-
ków w obwodzie wejściowym, zalecanych przez producentów fa- nik w różnych stanach pracy.
lowników oraz wewnętrznych dławików w obwodzie pośredniczą- badania przeprowadzono przy użyciu modułowego systemu ana-
cym prądu stałego. lizatora mocy NORMa D6000, wyposażonego w boczniki do po-
Określanie wpływu układu napędowego z wejściowym prostow- miaru prądu oraz przetworniki napięciowe z separacją galwaniczną.
nikiem diodowym może być przeprowadzone na drodze analitycz- Przebieg procesu pomiarowego był sterowany poprzez system kom-
nej lub symulacyjnej, szczególnie w zakresie niższych składowych puterowy z interfejsem komunikacyjnym gPib oraz odpowiednią
harmonicznych. Metody te wymagają jednak przyjmowania wielu aplikacją pomiarową zrealizowaną w środowisku LabView.
uproszczeń oraz określania wartości dodatkowych parametrów
Zniekształcenia przebiegów napięć
analizowanego systemu, np. impedancji sieci zasilającej, które są
i prądów wejściowych przekształtnika
zazwyczaj trudne do określenia. w przypadku bardziej złożonych
systemów najczęściej badania przeprowadza się eksperymentalnie, Prądy pobierane przez układ napędowy mają charakterystyczny
wykorzystując dość powszechnie dostępne w ostatnich latach ana- przebieg, typowy dla układu prostownika mostkowego sześcio-
lizatory mocy. pulsowego. w każdym półokresie napięcia sieciowego występują
asortyment urządzeń do pomiarów jakości energii jest boga- dwa impulsy prądowe o znacznych wartościach maksymalnych
ty: od prostych wskaz
ników wybranych parametrów jakości w stosunku do wartości skutecznej, związane z komutacją odpo-
energii, poprzez przenośne i stacjonarne zintegrowane systemy wiednich diod w mostku prostowniczym oraz doładowywaniem
pomiarowe (wraz z przetwornikami pomiarowymi), spełniające pojemności obwodu pośredniczącego prądu stałego. Stosunek
wymagania obowiązujących norm, aż do bardzo rozbudowanych wartości maksymalnej prądu do wartości uśrednionej w czasie
i charakteryzujących się dużą dokładnością w szerokim zakresie półokresu jest pośrednią miarą poziomu zniekształceń. Pobierane
częstotliwości pomiarowych. Przykładowe laboratoryjne stano- prądy impulsowe powodują zauważalne odkształcenia przebiegu
wisko do pomiarów parametrów jakości energii przedstawiono na napięcia zasilającego na skutek występowania impedancji sieci
rysunku 2. zasilającej (rys. 3).
Zasadniczym wyposażeniem analizatora sieci (zazwyczaj ze- Przeprowadzanie dokładnych analiz zniekształceń napięcia wywo-
wnętrznym) jest zestaw wymiennych przetworników (sond pomia- ływanych przez odbiorniki nieliniowe wymaga określania impedan-
rowych) prądu i napięcia o odpowiednio szerokim paśmie przeno- cji sieci zasilającej dla składowych harmonicznych o częstotliwoś-
szenia, który jest każdorazowo dobierany do zakresów mierzonych ciach znacznie wyższych od częstotliwości sieciowej. Na rysunkach
wielkości napięcia i prądu. analizatory mocy są zazwyczaj wyposa- 4 i 5 przedstawiono przebiegi prądów i mocy chwilowych pobie-
żone w niezbędne zasoby pamięci do przechowywania przetwarza- ranych przez układ napędowy przy różnych obciążeniach, również
nych wielkości pomiarowych oraz mierzonych wartości parametrów przekraczających moc znamionową.
jakości energii, jednak przy bardziej złożonych eksperymentach po- Zarejestrowane przebiegi mocy chwilowej pobieranej przez bada-
miarowych niezbędna jest również bezpośrednia współpraca anali- ny układ napędowy wyjaśniają istotę nieliniowego charakteru ob-
zatora z nadrzędnym systemem komputerowym. ciążenia. Moc badanego trójfazowego układu wejściowego mostka
Prezentowane badania eksperymentalne przeprowadzono dla ty- prostowniczego diodowego jest pobierana z sieci zasilającej w spo-
powej instalacji przekształtnikowego napędu prądu przemiennego sób impulsowy, w sześciu impulsach w ciągu okresu. Sumaryczny
z falownikiem napięciowym z klasycznym modulatorem PwM czas pobierania energii z sieci jest krótszy niż połowa okresu, co po-
i silnikiem indukcyjnym o mocy znamionowej 2,2 kw, połączonym woduje, że moc chwilowa jest nawet dwukrotnie większa od mocy
z falownikiem kablem nieekranowanym o długości ok. 20 m. uśrednionej.
Zasadniczym celem prowadzonych badań było eksperymentalne Na rysunku 6 pokazano szczegółowe korelacje czasowe obserwo-
określenie zmian charakterystyki widmowej pobieranego prądu wanych zniekształceń napięcia zasilającego z występującym impul-
wejściowego w funkcji poziomu mocy obciążenia silnika. Ponadto sowym przebiegiem pobieranego prądu.
4 Rok LXXV 2007 nr 6
 ANALIZY  BADANIA  PRZEGL
DY
Rys. 2. Stanowisko badawcze do określania wpływu przekształtnika na jakość
energii w sieci zasilającej z analizatorem mocy NORMa D6000
Rys. 4. Przebiegi pobieranego prądu fazowego przy różnych obciążeniach
Rys. 3. Przebiegi napięć fazowych przy obciążeniu napędu 2,5 kw
Rys. 5. Przebieg mocy chwilowej pobieranej przez falownik przy różnych
obciążeniach
Rys. 6.
wpływ impulsowego prądu wejściowego na odkształcenia napięcia zasilającego
Rok LXXV 2007 nr 6 5
 ANALIZY  BADANIA  PRZEGL
DY
Analiza widmowa przebiegów napięć i prądów
ny rozkładu składowych harmonicznych prądu dla różnych ob-
Przeprowadzanie analiz widmowych prądów pobieranych ciążeń: poniżej 30%, około 100% oraz ponad 150% obciążenia
przez urządzenia elektryczne jest ściśle związane z wymaga- znamionowego.
niami norm, które określają dopuszczalne poziomy składowych Ze względu na znaczne różnice w poziomach składowych har-
harmonicznych. Poziomy te są określane jako dopuszczalne monicznych parzystych i nieparzystych, wynikające z właściwości
wartości bezwzględne amplitud poszczególnych składowych typowych przebiegów odkształconych występujących w układach
harmonicznych prądu albo jako wartości procentowe, odniesio- energoelektronicznych, są one zazwyczaj analizowane oddzielnie.
ne do wartości amplitudy pierwszej harmonicznej lub wartości wśród nieparzystych harmonicznych prądu prostownika sześcio-
skutecznej prądu. Oprócz limitów dla poszczególnych harmo- pulsowego (rys. 7) największe wartości występują dla rzędów nie
nicznych określane są również dopuszczalne wartości wypad- będących wielokrotnością liczby 3, a zatem 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23,
kowego współczynnika zniekształceń, który jest wyznaczany 25, 29, 31, 35, 37.
z uwzględnieniem wartości amplitud wszystkich harmonicznych
do 40 rzędu. wraz ze wzrostem rzędu składowych harmonicznych, w typo-
Szczegółowe badania charakterystyk widmowych prądów po- wych aplikacjach ich amplitudy zazwyczaj maleją, jednak w bar-
bieranych w różnych stanach pracy przekształtnika są niezbędne dziej złożonych układach oraz różnych warunkach obciążenia
do projektowania układów biernej i aktywnej filtracji określonych mogą występować znacząco różne rozkłady widmowe. w bada-
składowych harmonicznych. Na rysunkach 7 i 8 pokazano zmia- nym przypadku, poziom obciążenia falownika w sposób istotny
wpływa na ogólny charakter rozkładu widma prądu. Dla niewiel-
kich obciążeń w szerokim zakresie widma (do 25 harmonicznej)
poziomy są dość wyrównane. Przy wzroście obciążenia następuje
zdecydowanie większy wzrost amplitud składowych niższych
rzędów (do 13 harmonicznej), natomiast dla harmonicznych wyż-
szych rzędów zmiany są mniejsze i nie wykazują jednoznacz-
nych tendencji wzrostowych. amplitudy składowych parzystych
(rys. 8) są wielokrotnie mniejsze, ale widoczny jest silny wzrost
ich wartości, szczególnie przy znacznych obciążeniach powyżej
obciążenia znamionowego.
Na rysunku 9 przedstawiono szczegółowo wpływ poziomu ob-
ciążenia na zmiany procentowe poszczególnych harmonicznych.
Ze względu na znacznie niższe wartości składowych parzystych, na
tym rysunku są one niewidoczne. Najbardziej niezmienny i wysoki
poziom procentowy w funkcji obciążenia wykazują harmoniczne 5
i 7 (80 90%), natomiast pozostałe istotne pary harmonicznych nie
będących wielokrotnością liczby 3 (11 i 13, 17 i 19 oraz 23 i 25)
Rys. 7. wpływ obciążenia na zmiany amplitud składowych nieparzystych wykazują wyraz
ną tendencję malejącą, wraz ze wzrostem poziomu
harmonicznych prądu zasilania
obciążenia.
Rys. 8. wpływ obciążenia na zmiany amplitud składowych Rys. 9. Procentowy udział składowych harmonicznych w prądzie pobieranym
parzystych harmonicznych prądu zasilania przez przekształtnik w funkcji zmian obciążenia
6 Rok LXXV 2007 nr 6
Harmoniczne
 ANALIZY  BADANIA  PRZEGL
DY
Wpływ dławików wejściowych
Zaprezentowane wyniki badań eksperymentalnych pozwalają
na poziom zniekształceń harmonicznych
ponadto na oszacowanie wpływu wielkości indukcyjności stoso-
Najbardziej powszechnie stosowanym rozwiązaniem ogranicza- wanych dławików wejściowych na poziomy poszczególnych skła-
jącym impulsowy charakter prądu wejściowego w przekształtni- dowych harmonicznych prądów wejściowych pobieranych z sieci
kowych układach napędowych są trójfazowe dławiki wejściowe. zasilającej. Uzyskane orientacyjne zależności mogą być przydatne
Przeprowadzone badania potwierdzają ich istotny wpływ na rozkład przy wstępnym doborze indukcyjności dławików w zastosowaniach
widma prądu wejściowego, jednak uzyskanie efektywnego ograni- nie spełniających wymagań norm w odniesieniu tylko do niektórych
czenia poziomu harmonicznych we wszystkich warunkach pracy składowych harmonicznych.
układu napędowego wymaga szczegółowego doboru, uwzględnia-
jącego szczegółowe parametry konkretnego układu aplikacyjnego
LiTERaTURa
(rys. 10).
[1] hanzelka Z., Strzałka J.: Jakość energii elektrycznej w instalacjach elektrycznych.
Biuletyn Techniczny SEP 2003 nr 22
[2] iwan k., Chrzan P.J., A
uszcz J.: Zaawansowane symulacje układów przekształtni-
kowych z zastosowaniem symulatora TCad 7. Przegląd Elektrotechniczny 2004 nr
10
[3] kempski a.: Elektromagnetyczne zaburzenia przewodzone w układach napędów
przekształtnikowych. Oficyna wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego, 2005
[4] koczara w.: Jakość mocy, typowe zakłócenia w sieci wywołane przez napędy elek-
tryczne i inne odbiorniki. Seminarium  Oddziaływanie napędu na sieć zasilającą ,
warszawa 1995
[5] korzycki E. i in.: analiza oddziaływania wielopulsowanych prostowników trakcyj-
nych na sieć elektroenergetyczną. Przegląd Elektrotechniczny 2006 nr 7 8
[6] A
uszcz J., Olesz M.: Propagacja zaburzeń elektromagnetycznych przewodzonych
w sieciach zasilających. gdańskie Dni Elektryki 2005, Fundacja Rozwoju Ug, Od-
dział gdański SEP 2005
[7] A
uszcz J., iwan k.: Szerokopasmowe właściwości energoelektronicznych elemen-
tów indukcyjnych. Viii konferencja  Szkoła  Elektrotechnika  prądy niesinusoi-
dalne , A
agów 2006
[8] A
uszcz J.: iron core inductor high frequency circuit model for EMC application.
Coil Winding International & Electrical Insulation Magazine 2004 nr 1
Rys. 10. wpływ indukcyjności dławika na zmiany składowych
[9] A
uszcz J.: y
ródła i wybrane metody ograniczania zakłóceń w systemach automaty-
harmonicznych prądu zasilania (poziomy MaX N i MaX P oznaczają
ki z napędami przekształtnikowymi. Wiadomości Elektrotechniczne 2006 nr 5
wartości dopuszczalne dla składowych harmonicznych nieparzystych [10] PN-EN 50160:2002 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach roz-
dzielczych
i parzystych)
[11] PN-EN 61000-2-4:2003 kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część 2 4:
Środowisko. Poziomy kompatybilności dotyczące zaburzeń przewodzonych małej
częstotliwości w sieciach zakładów przemysłowych
w badanym układzie zwiększenie indukcyjności dławika wejścio-
[12] PN-EN 61000-3-2:2006 kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część 3 2:
wego umożliwiło ograniczenie amplitud składowych harmonicz-
Dopuszczalne poziomy. Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu (fazo-
nych 11 i 13 oraz w nieco mniejszym stopniu 5 i 7, natomiast wpływ
wy prąd zasilający odbiornika < lub =16 a)
na harmoniczne 17 i 19 jest zdecydowanie mniejszy. Na przedsta- [13] Strzelecki R., Supronowicz h.: Filtracja harmonicznych w sieciach zasilających
prądu przemiennego. PaN, Postępy Napędu Elektrycznego, wydawnictwo adam
wionym rysunku można również zauważyć negatywne skutki za-
Marszałek 1999
stosowania dławika, szczególnie dla składowych harmonicznych
parzystych prądu oraz dla składowych nieparzystych będących wie-
lokrotnością liczby 3.
Wnioski
Przeprowadzone badania eksperymentalne wykazały istotny
ZACISKI SAMOBLOKUJ
CE
wpływ poziomu obciążenia przekształtnikowych układów napędo-
wych prądu przemiennego na rozkład widmowy prądu wejściowego Zaciski samoblokujące typu hFhb, przeznaczone zwłaszcza do szyn
pobieranego z sieci zasilającej. Zatem uwzględnianie zakresu wy- zbiorczych, stanowią niezawodne połączenie elektromechaniczne ob-
stępujących zmian poziomu obciążenia układu napędowego może wodów elektrycznych, zapobiegające ich odkręcaniu się przy wstrzą-
mieć istotny wpływ na dobór odpowiednich środków ograniczają- sach i wibracjach. wykonane z fosforbrązu zaciski z gwintem od M5 do
cych poziom emisji harmonicznych, ponieważ zalecenia producen- M10 (lub #10 32 do 3/8 16) mają długość
tów zazwyczaj są określane jedynie dla znamionowych warunków do 50 mm (2,00 ). Mogą być instalowane
pracy układu napędowego. w płytach miedzianych o minimalnej grubo-
Problem zmiennych obciążeń układów napędowych oraz związa- ści 1,3 mm (0,050 ). Są odporne na nacisk
nych z nimi zróżnicowanych poziomów emisji harmonicznych wy- do 1115 N (560 lbs) oraz moment skręcający
stępuje szczególnie w zastosowaniach zawierających znaczną ilość do 25 Nm (18 ft.lbs). (wb 63)
układów napędowych mniejszych mocy, pracujących w trybie pracy World Industrial Reporter
przerywanej. 2006 November/December
Rok LXXV 2007 nr 6 7