周波数変換器を使用する場合の電磁両立性

電磁両立性 (EMC) これは、電気または電子機器が電磁場の存在下でも正常に機能する能力です。同時に、機器は近くの他の機器やシステムの動作を妨げてはなりません。

国際エネルギー委員会 (IEC) の EMC 指令は、欧州経済領域で使用される電気機器に対するイミュニティおよび放射要件を設定します。 EMC EN 61800-3 規格は、周波数コンバータの要件をカバーしています。

周波数変換器は、電源の正弦波の瞬時値が DC リンク電圧より高い期間、つまり DC リンク電圧より高い期間のみ電源から電流を引き出します。ピーク電源電圧領域で。その結果、電流は連続的に流れるのではなく、非常に高いピーク値で断続的に流れます。

このタイプの電流波形には、基本周波数成分に加えて、多かれ少なかれ高調波成分 (電源高調波) が含まれています。

三相周波数コンバータでは、主に 5 次、7 次、11 次、および 13 次の高調波で構成されます。これらの電流は電源電圧波形の歪みを引き起こし、同じネットワーク内の他の電力消費者に影響を与えます。

また、交流電流は変動を引き起こします。 力率改善回路 過電圧を引き起こす可能性のある重大な条件下では。

次の場合、条件は重要です。

• 設備の電力の少なくとも 10 ～ 20% は、インバータと周波数変換器の非制御整流器によって形成されます。

• 補償回路は中断することなく動作します。

• 最下位の補償段は、電源トランスとともに共振回路を形成し、50 Hz の 5 または 7 高調波に近い共振周波数を生成します。 250 または 350 Hz あたり。

インバータトランジスタの非常に高速なスイッチングの結果として、 パルス幅変調 音響効果が観察され、電力網や電気モーターに悪影響を及ぼします。

インバーターのトランジスタ スイッチの急速なスイッチングにより、モーター ケーブルを通じて環境に影響を与える広帯域の干渉信号が発生します。 PWM および DTC 制御電圧間隔によって引き起こされるインダクタンスの連続的な変化により、モーター コア シートの長さ (磁歪) がわずかに変化し、モーター ステーター コア スタック内に特徴的な変調ノイズが発生します。

周波数変換器の出力電圧は高周波です 方形パルス列 同じ振幅で極性と持続時間が異なる場合。電圧パルスの前部の急峻さは、インバータの電源スイッチのスイッチング速度によって決まり、異なる半導体デバイスを使用する場合には異なります（たとえば、 IGBTトランジスタ つまり 0.05 ～ 0.1 μs)。

急峻なフロントを持つパルス信号が通過すると、ケーブル内に波のプロセスが発生し、モーター端子に過電圧が発生します。

モーターケーブルの長さは、モーターケーブルを伝播する高周波（パルスフロント）の長さに依存します。誘導モーターの巻線に電圧パルスが印加される波長の半分に等しいケーブル長が重要です。大きさは DC リンク電圧の 2 倍に近くなります。

電圧クラス 0.4 kV の電気ドライブでは、過電圧が 1000 V に達することがあります。この問題は、長いケーブルの問題と呼ばれます。

入力フィルタと出力フィルタを備えた周波数コンバータのブロック図

EMC 規格の要件を満たすために、周波数コンバータの駆動にはライン チョークと EMC フィルタが使用されます。

EMC フィルタはトランスデューサから発せられる音響ノイズを低減し、ほとんどのタイプのトランスデューサは工場でプローブ ハウジングに組み込まれています。ラインリアクトルは、高い突入電流、つまりライン電流の高調波を低減し、安定化周波数ドライブのサージ保護を改善するように設計されています。

「長いケーブル」問題の解決策は、電気モーターの端子の過電圧と突入電流を制限する技術的ソリューションを適用する必要があることです。これには、出力チョーク、フィルター、正弦波フィルターの取り付けが含まれます。

周波数変換器の接続図

出力チョークは主に、ケーブル レセプタクルの過充電により長いモーター ケーブルで発生する電流スパイクを制限し、モーター端子の電圧上昇をわずかに低減する役割を果たしますが、モーター端子の電圧ピークは低減しません。

リニアチョーク

フィルタは、電圧上昇を制限し、モータ端子の電圧ピークを非臨界値に下げることによってモータの絶縁を保護し、ケーブル コンテナが定期的に再充電されるときに発生する電流ピークを低減します。

EMCフィルター

正弦波フィルターは、コンバータの出力に正弦波に近い電圧を提供します。

さらに、正弦波フィルターは、モーター端子電圧の上昇率をある値まで下げ、電圧ピークを除去し、モーターの追加損失を減らし、モーターのノイズを低減します。

長いモーターケーブルの場合、正弦波フィルターはケーブルコンテナの定期的な再充電によって生成される電流ピークを低減します。

電気モーターの端子におけるサージ電圧を制限する上記の方法に加えて、長いケーブルの問題を解決する 2 つの効果的な方法に注目する必要があります。これらは多額の投資を必要とせず、ユーザーが直接実行できます。

1. 直列 LC の設置 — 周波数コンバーターの出力にフィルターを設置し、インバーター出力電圧パルスの前縁の急峻さを低減します。

2.並列 RC フィルターをモーター端子に直接取り付けて、ケーブルの波動インピーダンスを一致させます。

電磁両立性を確保する上記の方法に加えて、周波数変換器と電気モーターを接続するためにシールドされたケーブルを使用する必要があることに注意する必要があります。放射された高周波干渉を効果的に抑制するには、スクリーンの導電率が相導体の導電率の少なくとも 1/10 である必要があります。

スクリーンの導電性を評価できるパラメータの 1 つはそのインダクタンスです。インダクタンスは小さく、周波数への依存をできるだけ少なくする必要があります。これらの要件は、銅またはアルミニウムのシールド (鎧) を使用して簡単に満たされます。

周波数変換器とモーターを接続するケーブルのシールドは両端で接地する必要があり、シールドがより適切でしっかりしているほど、放射レベルが低くなり、モーターのベアリング内の電流の大きさが低くなります。

周波数変換器用モーターケーブルの画面

シールドは、銅線の同心層とコイル状の銅ストリップで構成されます。

通常、制御ケーブルのシールドは周波数変換器に直接接地されます。シールドの他端は接地されないか、数 nF の高電圧高周波コンデンサを介して接地されます。

アナログ信号の接続には、2 つのシールドを備えたツイスト ペア ケーブルを使用することをお勧めします。このようなケーブルの使用は、衝撃速度センサーからの信号を接続する場合にも推奨されます。信号ごとに個別のシールドを備えた 1 本のケーブルを使用する必要があります。

低電圧デジタル信号の場合は、二重シールドのツイストペア ケーブルを使用することも推奨されますが、共通のシールドを持つ複数のツイストペア ケーブルを使用することもできます。

二重シールドツイストペアケーブル (a) および複数のツイストペアと 1 つの共通シールドを備えたケーブル (b)