Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 77/2007
269
Jerzy Bakalarczyk
WYBRANE PROBLEMY ZABURZEC
W PRZEMIENNIKOWYM
UKA
ADZIE NAP
DOWYM
CHOSEN PROBLEMS OF THE INTERFERENCES IN ELECTRIC DRIVE
SYSTEM
Abstract: Mainly this article is connected with electromagnetic interferences in a converter drive system.
However, it is rising also on issue an influence of correct selection of the motor cables on performance of
electric motor drive system with PWM inverter and on durability of the motor winding isolation and durability
of its cables themselves. In the article, the author introduced the problems related with the harmful influence
of the cables currents and voltages both on insulation of the motor windings and its duration phenomenas. The
principal goal of this article is to familiar of the reader with the problems bounded up with exploitation of the
electric drive systems from the side of electromagnetic interferences emission, voltage waves reflection and
other phenomenas accompanying of conducting of voltages waves with sharp slopes. The author has reviewed
of interference phenomenas in the motor supplying systems working with PWM converters with high
chopping frequencies and has represented of the conclusions useful for practical goals in electric drive systems
exploitation.
Wstęp Problem kompatybilności elektromagne-
tycznej
Jeszcze do niedawna, podczas badań zaburzeń
elektromagnetycznych w przemiennikowych
W Unii obowiązuje dyrektywa EMC
układach napędowych, mało uwagi poświęcano
89/336/EEC (2004/108/EC) dotycząca kompa-
kablom zasilającym silnik, przyłączonym do
tybilności elektromagnetycznej produkowanych
zacisków wyjściowych falowników PWM
urządzeń elektrycznych (znak CE) związana z
pracujących z dużą częstotliwością i wyposażo- zaburzeniami elektromagnetycznymi przewo-
nych najczęściej w coraz szybsze tranzystory
dzonymi i promieniowanymi. Jednak trzeba
IGBT. Od pewnego czasu zaczęto interesować
zaznaczyć, że tworzenie złożonych układów na-
się tymi obwodami z uwagi na wymagania co
pędowych przy wykorzystaniu samych urzą-
do trwałości całych układów napędowych i po- dzeń spełniających te wymagania nie zapewnia
trzeby przedłużenia ich czasu życia. Świadczą
automatycznie kompatybilności elektromagne-
o tym pojawiające się od pewnego czasu
tycznej jako całości.
artykuły [1], [2], [3], [4], [5], [6]. W praktyce
Zaburzenia elektromagnetyczne
do zasilania silników z przemienników PWM
Zaburzenia elektromagnetyczne są generowane
stosowane są kable o różnej budowie. Ogólnie,
w układach przełączających podczas łączeń w
można powiedzieć, że obecnie kable zasilające
obwodach o dużych stromościach napięć i prą-
dobiera się nie tylko ze względu na długo-
dów z dużą częstotliwością. Są one zjawiskiem
trwałą obciążalność prądową (przekrój żył), ale
szkodliwym i mogą przyczyniać się do wadli-
także na potrzebę ich ekranowania oraz pot-
wej pracy (zakłóceń) urządzeń telekomuni-
rzebę wykorzystywania żył powrotnych. Ekra-
kacyjnych i radiowych znajdujących się w ich
nowanie związane jest z potrzebą zmniejszenia
otoczeniu. Każde urządzenie elektryczne
poziomu emisji zaburzeń elektromagnetycz-
wchodzące w skład większego układu powinno
nych, mających wpływ zarówno na środowi-
być zarówno odporne na działanie tych
sko, jak i na pracę układu sterowania samego
zaburzeń, jak i powinno emitować jak najniższy
przemiennika. Zwraca się również uwagę na
(przewidziany normą) ich poziom.
rodzaj izolacji żył kabli oraz jej grubość.
Długość kabli ma głównie znaczenie przy
Rodzaje zaburzeń elektromagnetycznych
dopasowaniu impedancji falowej i uzyskaniu
jak najmniejszych wartości przepięć na zaci- Ogólnie zaburzenia elektromagnetyczne w na-
skach przyłączonego silnika, a co za tym idzie, pędach elektrycznych podzielić można po-
zabezpieczenia izolacji uzwojeń silnika. dzielić na:
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 77/2007
270
" zaburzenia przewodzone,
Szkodliwe zjawiska zachodzące w obwo-
dzie zasilania silnika
" zaburzenia promieniowane.
Przy zasilaniu silnika poprzez kable z wyjścia
Zaburzenia przewodzone (pasmo od 9 kHz do
przemiennika zachodzą dodatkowe zjawiska,
30 MHz) rozprzestrzeniane są przewodami ele-
ktrycznymi, natomiast  promieniowane które zależą m.in. od długości kabla miano-
wicie:
(30 MHz  1GHz) rozchodzą się drogą radiową.
- powstają przepięcia na zaciskach przyłączo-
y
ródła zaburzeń elektromagnetycznych
nego silnika, mające wpływ na czas życia
Istnieje wiele potencjalnych z
ródeł zaburzeń
izolacji jego uzwojeń, których wielkość zależy
radioelektrycznych. Najczęściej dzieli się je na
od długości tych kabli oraz pracy przemiennika,
dwie podstawowe grupy: z
ródła zaburzeń o
- podczas pracy silnika zasilanego z przemien-
widmie ciągłym oraz z
ródła zaburzeń o widmie
nika częstotliwości następuje emisja zaburzeń
dyskretnym. Pracujące przemienniki częstotli-
RFI poprzez kabel zasilający silnik, na które
wości będące częścią składową układów napę-
wrażliwe są elementy układu sterowania prze-
dowych są zaliczane do grupy z
ródeł zaburzeń
miennika. Elementami najbardziej narażonymi
o widmie ciągłym. Do grupy z
ródeł zaburzeń o
na te zaburzenia są układy sygnału zadawania
widmie dyskretnym należą m.in. pracujące
prędkości w postaci napięciowej (potencjometr
mikroprocesory, zasilacze impulsowe, systemy
- sygnał zadający o poziomie 10V) oraz w po-
przetwarzania danych. Do obowiązku produ-
staci pętli prądowej (4  20 mA),
centa tych urządzeń należy m.in. obniżenie
- odbicie fal napięciowych,
poziomu tych zaburzeń w celu zapewnienia
- występuje problem dopasowanie impedancji
kompatybilności elektromagnetycznej środowi-
falowej obwodu zasilania silnika,
ska. Kable zasilające silnik, podczas pracy,
- przy dużych stromościach napięciowych
stanowią element emisji zaburzeń i pracują po-
i przy przepięciach o dużych wartościach w izo-
dobnie jak antena  dlatego też należy skracać
lacji kabla zasilającego silnik mogą występo-
ich długość do minimum.
wać wyładowania koronowe zapoczątkowujące
Sposoby walki z zaburzeniami w ukła- zjawisko przebicia izolacji.
Dużo ostatnio mówi się o czasie życia kabli.
dach przemiennikowych
Czas życia podyktowany jest trwałością ich
Jeśli chodzi o zaburzenia przewodzone to sku-
izolacji. Przy kablach eksploatowanych w wa-
tecznym sposobem ich redukcji jest stosowanie
runkach zasilania napięciem i prądem przemie-
dławików oraz filtrów RFI (umieszczanych od
nnym o parametrach znamionowych czas życia
strony sieci zasilającej oraz od strony silnika).
wynosi ok. 100 lat. Przy eksploatacji ich przy
Zaleca się stosowanie dławików od strony silni-
zasilaniu napięciem z wyjścia przemiennika
ków zasilanych kablami przekraczającymi
czas ten ulega znacznemu skróceniu i może się
długość 30 m. Natomiast w przypadku zaburzeń
wahać w granicach od 5 do 20 lat, w zależności
promieniowanych stosuje się takie sposoby
od stopnia zapewnienia ich właściwego doboru.
zabezpieczeń jak: ekranowanie, uziemianie,
Izolacja kabli ulega starzeniu się, której szyb-
oraz właściwe rozmieszczanie urządzeń składo-
kość zależy zarówno od temperatury i para-
wych w stosunku do siebie.
metrów elektrycznych ich eksploatacji.
Przemiennikowe obwody zasilania silni-
Budowa kabli do zasilania silnika
ka
Kable te najczęściej zbliżone są konstrukcją do
W obwodach układów zasilania napędowych z
elastycznych i opancerzonych kabli energe-
przemiennikami częstotliwości kable łączące
tycznych. W praktyce napędowej wykorzystuje
silniki stanowią również zarówno element emi-
się przewymiarowane (ze względu na izolację)
sji zaburzeń elektromagnetycznych jak i same
najczęściej dwa podstawowe rodzaje kabli
podlegają wpływom innych zaburzeń (np.
ekranowanych ze wzmocnioną izolacją: z
przepięciom wywołanym dużymi stromościami
trzema lub z czterema odrębnie izolowanymi
przewodzonych fal napięciowych, zjawiskom
miedzianymi żyłami. Przy czym trzy z nich to
odbić falowych w kablach). Zjawiska te mają
żyły robocze (kolor czarny i biały) a czwarta
wpływ na stan izolacji tych kabli oraz stan
uziemiająca (oznakowana kolorem zielonym).
izolacji uzwojeń silnika.
Ekran stanowi oplot miedziany lub folia
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 77/2007
271
aluminiowa. Izolacja żył to izolacja z polie- induction motors: cable modeling and measurement,
ICEM 2004, Cracow,
tylenu usieciowanego (XLPE) o dobrych włas-
[3]. Don-Ha Hwang, Doh-Young Park, Yong-Joo
nościach mechanicznych i długotrwałej dopusz-
Kim, Dong-Hee Kim, Ja Yoon Koo, Ick-Goo Hur:
czalnej temperaturze pracy 90oC oraz tempe-
Analysis of insulation characteristics of PWM
raturze topnienia 130  150oC. Kable te posia-
inverter - fed induction motors, Proceedings, ISIE
dają jedną lub większą ilość żył ciągłości. Pow-
2001, IEEE International Symposium on, Volume 1,
łoka zewnętrzna wykonywana jest najczęściej z
Issue 2001, s. 477 - 481,
polichlorku winylu (PVC) odpornego na długo-
[4]. Kerkman R., Leggate D., Skibinski G.:
trwałe działanie promieni słonecznych.
Interaction of Drive Modulation & Cable
Parameters on AC Motor Transients, Industry
Ekranowanie kabli
Applications Conference, 31 IAS Annual Meeting,
Kable zasilające silnik zazwyczaj posiadają
IAS '96 Conference Record, 1996 IEEE Volume:1,
ekran wykonany z oplotu miedzianego, który s. 143 - 152,
[5]. Moreira A. F., Lipo T. A., Venkataramanan G.:
jest odporny na uszkodzenia. Jednak zdarzają
High Frequency Modeling for Cable and Induction
się przypadki występowania ekranu wykona-
Motor Over - voltage Studies in Long Cable Drives,
nego z folii aluminiowej. W takim przypadku
36 IAS Annual Meeting, Conference Record of the
należy dokładnie upewnić się czy dostępna
2001 IEEE, Volume 3, 30 Sep - 4 Oct 2001,
część ekranu jest cała i nie ma śladów podarcia
s. 1787  1794,
i zniszczenia folii. Przy wykorzystaniu zniszcz-
[6]. Don-Ha Hwang, Doh-Young Park, Yong-Joo
onej części ekranu, ekranowanie może okazać
Kim, Dong-Hee Kim, Ja-Yoon Koo, Jin-Hong Kim:
się mało skuteczne.
Analysis of insulation characteristics of low-voltage
induction motor driven by IGBT PWM inverter,
Uziemianie ekranu kabli
Record of the 2000 IEEE International Symposium
Każdy ekran powinien być uziemiony. Dotyczy
on Electrical Insulation Conference, s. 17  20.
to zarówno kabli zasilających silnik jak i kabli
sieciowych. Należy również pamiętać o tym, że
ekrany tych kabli należy uziemiać z dwóch ich
końców. Uziemianiu powinna podlegać cała
powierzchnia ekranu danego końca kabla (360
stopni). Ekran kabla uziemiony tylko z jednego
końca działa jako skuteczna antena nadawcza
emitująca zaburzenia elektromagnetyczne.
Wnioski
W oparciu o powyższe rozważania można wy-
snuć wniosek iż w obwodach przemienników
PWM mamy do czynienia zarówno z proble-
mem walki ze zjawiskiem zaburzeń elektroma-
gnetycznych, celem zapewnienia kompatybil-
ności środowiska, co wymusza dyrektywa
EMC 89/336/EEC (2004/108/EC), jak i z pro-
blemem zakłóceń mających wpływ na trwałość
izolacji uzwojeń silników jak i kabli zasi-
lających silniki. Problem doboru izolacji silni-
ków staje się coraz bardziej istotny. Niemniej
istotny wpływ ma rodzaj sterowania PWM na
zaburzenia wywołane w układach zasilania
silnika.
Literatura
[1]. Campbell T.: Cables for use with PWM, IGBT
AC drives, Pulp and Paper Industry Technical Con-
ference Records , 1999, s. 224  229,
[2]. Wetter Roland, Kawkabani Basile, Simond
Jean-Jacques: Voltage stresses on PWM inverter fed