Zaštite pretvarača i motora upravljivog pogon

Program stručnog usavršavanja ovlaštenih inženjera elektrotehnike

ELEKTROTEHNIKA - XIV tečaj

Nove tehnologije električnih postrojenja

Zaštite pretvarača i motora upravljivog pogona

mr sc Milivoj Puzak dipl. ing. – viši predavačTehničko veleučilište u Zagrebu

Elektrotehnički odjelZAGREB 9. 2. 2013.

milivoj.puzak @ tvz.hr

Elektromotorni pogon

Zaštite pretvarača i motora pogona upravljive brzine vrtnje

• Zaštite – djelovanje u neregularnim stanjima radi sprećavanja opasnosti i šteta

• pogoni konstantne brzine: motor direktno priključen na mrežu –klasične tehnike zaštita - prekostrujna i termička (bimetalni relej ili detekcija tempereture u motoruc – poznati postupci – proračuni uz pomoć tabličnih kalkulatora

• pogoni upravljive brzine: motor + pretvarač tvore pogon –zaštite raspodijeljene funkcijski na obje sastavnice

• pogon s asinkronim motorom i pretvarčem frekvencije –najčešće rješenje u novim projektima

Štićenje - koga, što od čega


Pojna mreža i dovodni vod - prevelikih struja koje onemogućavaju rad drugih trošila na istoj razini razvoda, povratnog djelovanja pretvarača Pretvarač – prekostruje – kratki spoj, preopterećenje

– pregrijanje - prenaponi s mreže

Kabel - kratki spoj, proboj izolacije, preopterećenjeMotor – proboj na masu, spoj u namotima, preopterećenjeOsoblje – direktni dodir napona, indirektni dodirn naponi

zaštita – podjela funkcija


Prekidačzaštita pri kratkom spojuodvajanje od mreže pri održavanju

Sklopnikradno uključenje i isključenjeblokiranje rada pogona

Pretvaračupravljanje radom u zaletu, regulaciji brzine i zaustavljanjuzaštite sklopova pretvaračazaštita vodovazaštite motora

kvarovi na mrežnoj strani


Pretvarač: ispravljač– kondenzatorska baterija istosmjernog međukruga – invertormrežna i motorska strana odvojeni su istosmjenim sustavom konstantnog napona – s mrežne strane na vidi se što se događa na motorskoj i obratnomjerni elementi su na izlazu inevrtora ne mogu djelovati na pojave u ispravljaču

kvarovi na motorskoj strani


Pretvarač napona i frekvencije – invertor:• regulirani izvor sastavljen od 6 brzih poluvodičkih prekidača > moguć prekid struje u μs vremenskom području > moguće i funkcije zaštite• struja se zatvara kroz kondenzator kao izvor struje kvara• djelovanje na temelju signala mjerenja napona međukruga i struja prema motoru

strujni krug pri proboju izolacije – zemljospoj motora


• Struje zemljospoja zatvarajus se iz izvora kroz ispravljač invertor motorski kabel i motor

• ovisno o mjestu zemljospoja ima izmjenu komponentu 50 Hz, ispravljenu pulzirajuću komponentu pozitivnu ili negativnu, modulirajuću frekvencije modulacije invertora te struju izlazne frekvencije napajanja motora

Pojava visokofrekventnih struja kroz kapacitete


• Struje kroz filterske kondenzatore i parazitne kapacitete kabele i namota motora teku prema uzemljenoj (PE) točki

• Radi povišene sklopne grekvencije inertora dodatno opterećuju tranzistore

• Pri uklopu mreže mogu prouzročiti proradu FID sklopke

Pojave u izoliranoj mreži IT pri proboju iza pretvarača


• Pogon s pretvarčem frekvencije može se priključiti na izoliranu mrežu

• Pri proboju na jednom mjestu ne dolazi do prekida rada pogona

• Pojavljuje se oscilirajući napon srednje točke međukruga

• Potrebno detektirati takvo stanje jer bi slijedeći proboj bio kratki spoj

zaštita ulaznog ispravljača


315 kW3×0-400 V0-70 Hz

-F1.Q

-K1

-G1

Osigurač u rastavljačkom aparatu za galvansko odvajanje

Sklopnik – isklop energije prema nalogu iz kruga upravljanja u koji može biti uključena i neka naredba iz pretvarača ili motorske zaštite

Osigurač – štiti samo ispravljačke komponente

posebno osjetljivi IGBT u aktivnoj ispravljačkoj jedinici

specificirana karakteristika gG (gR)

definiran I2t

preporučen “dual-action” npr Sitor 3NE1

zaštita ulaznog ispravljača


Karaloški podaci ultrabrzih osigurača KONČAR

Karakteristika I/t osigurača “dual-fuction”

zaštite ostvarene u pretvaraču


• Interne zaštite pretvaračke jedinice i motora temeljem mjerenih veličina –strujne, naponske zaštite

pretvarač štiti motor!• Regulacijske zaštite - limiti

Podešenje max. brzine vrtnje limit frekvencije

limit struje i momenta motora

vremena ubrzanja i usporenja te oblika prijelazne pojave promjene brzine vrtnje

zabrana rada na rezonantnim brzinama

zaštite motora i invertora


• Prekostrujne zaštite• kratki spoj na izlazu – detekcija povišenog napona IGBT u

vođenju – vrijeme 4 -10 μs• brza prekostrujna – mjerenje struje izlaza – na cca 3×In –

vrijeme 10-30 μs• Zemljospoj – detekcija razlike izlanih struja (10-50 %)× In

vrijeme reakcije 30 μs• prekid faze motora – jedna struja = 0 A – vrijeme 100 μs• nesimetrija struja dovoda – ispad faze mreže neispravnost

ispravljača – povećana valovitost napona međukruga• obuhvatni transformator mjerenje ΔI dovoda (u nekim

izvedbama pretvarača)

zaštite od preopterećenja i pregrijanja


Termičke zaštitepregrijanje invertora :

mjerenje temperature hladnjaka >95 0C temperatura IGBT > 1150 C

nestanak hlađenja – temperatura procesorskog modula >80Czaštita motora od pregrijanja – termo slika motora

temeljem mjerenja opterećenja i brzine vrtnje te podataka o toplinskoj vremenskoj konstanti pretvarač estimira temperaturu motora > upozorenje ili alarm pregrijanja

zaštite od preopterećenja i pregrijanja


Termička zaštita direktnom detekcijom zagrijanja

• PT100 (1000) sonde u namotu + PT relej > mjerenje, upozorenje i zaštitno djelovanje

• PTC sonde – sonde ugrađene u namote odgovarajuće toplinske karakteristike >dvije razine upozorenje i zaštitno djelovanje isklop ili zaustavljanje pogona

• direktni priključak PT sonde na analogni ulaz pretvarača omogućava uvid u zagrijanje motora i zaštitne funkcije

signali davača (npr PT100 preko releja ili PTC sondi direktno priključeni na digitalni ulaz pretvarača

zaštita u pogonu s više motora na jednom pretvaraču


Iznimno: pretvarač nije u mogućnosti raspoznati preopterećenje nekog motora – napaja ih i štiti kao jedan ukupne snage• bimetalna zaštita uz sklopnik pojedinog motora• isklop jednog motora signalizira se ili zaustavlja rad pretvarača• ponovno pokretanja pogona samo iz mirovanja svih motora• nije dopustivo uključiti pojedini motor na pretvarač u radu!

zaštita pogona bez unutarnjih zaštitnih funkcija pretvarača


Iznimno: • pretvarač ne može štititi motor male snage u odnosu na nazivne struje pretvarača !? • bimetalna zaštita ispred pretvarača kao zaštita pogona• motor štititi termičkim sondama i uključiti u upravljanje sklopnikom

zaštite od napona dodira


Direktni dodir sprijećen izvedbom motora IP 5x i pretvarača IP 21 ili IP54

Inirektni dodir – povezivanje vodljivih dijelova motora i pretvarača na zaštitni vod – pravila uzemljavanja ista kao i za “klasične izvedbe” pogona

zaštita detekcijom struje greške (RCD /FID)


Detekcija struje greške štiti od opasnosti indirektnog dodira napona – primjena s većim otporima zaštitnog kruga

Struje u pogonu spretvaračem imaju osim osnovne frekvencije ima i dodatne komponemte: istosmjernu, pulzirajuću 150 Hz te radnu frekvenciju motora i modulacijku frekvenciju pretvarača povezivanje vodljivih dijelova motora i pretvarača na zaštitni vod – pravila uzemljavanja ista kao i za “klasične izvedbe” pogona

Princip RCD zaštite

izmjenična struja

pulzirajuća istosmjerna struja

pulzirajuća regulirana istosmjerna

pulzirajuća s istosmjrnom komponentom .

filtrirana istosmjerna

Potrebna osjetljivost RCD zaštitnog releja

zaštita detekcijom struje greške (RCD /FID)


• Standardni RCD može nepotrebno reagirati pri ukapanju zbog pojave kapacitivnih struja prenaponske zaštite i punjenje kondenzatora međukruga

• RCD zaštita se izbjegava u reguliranim pogonima

• Potrebna primjena elektroničkih vremenski i frekvencijski osjetljivih zaštita ili kombinacija manje osjetljivih standardnih i elektroničkih

Pojava kapacitivnih struja u pogonu Primjena dvostruke RCD zaštite

zemljospojna zaštita u IT sustavu mreže


Pogon s pretvaračem na izoliranoj mreži – transformator D/d spoj • vodljivi dijelovi opreme povezani na PE vodič • proboj jedne točke nema za posljedicu struju zemljospoja• proboj na dvije točke je kratki spoj • trajni monitoring izolacije sustavom mjerenja otpora izolacije

oscilacije napona neutralne zočke pri zemljospoju principna sheme nadzora izolacije

zaštita od prenapona


• Standardni slog varistora i filterskih kondenzatora na ulazu pretvarača štiti mrežni ispravljač od kratkotrajnih prenapona

• Pri korištenju RCD zaštite u nekim slučajevima potrebno odspojiti kondenzatore prema kućištu (PE)

• Mjerenjem napona u međukrugu signalizira se pojava prenapona ali ne može djelovati na sklopne aparate

• regulacijski se ograničava povišenje napona u kočnom režimu rda

ulazni mrežni filter prenapona i struja zajedničke točke

zaštita u rješenju pogona


• Projektom•izbor izvedbe pretvarača•izbor sheme i elementa u mrežnom dovodu

• Podešavanjem pri puštanju u rad• podešenje limita upravljačko regulacijske jedinice pretvarača • aktiviranje i podešenje razina djelovanja zaštitnih funkcija

• Uvažavanjem pravila izbora zaštitnih elemenata i mogućnosti zaštitnih funkcija u pretvaračkj jedinici može se postići pogon koji će raditi pouzdano i sigurno

Literatura

1. J. Sconeck,Y. Nebon: LV protection devices and variable speed drives; ect 204 Schneider Electric 2002.

2. *** IEC 60034-25 Guide for the design and performance of cage induction motors for converter supply; 2004

3. SINAMICS - Low Voltage Engineering Manual; Siemens 2011.

4. SITOR Semiconductor protection: www.siemens.de/sitor 2013.

5. ACS 800 Instalation manual; ABB Drives


Documents

Zaštite pretvarača i motora upravljivog pogon