Speciální vodiče proti rušení sítě

 

 

 

Mezní hodnoty EMC (Electro Magnetic Compatibility, elektromagnetická kompatibilita) musí dodržovat elektrické systémy pohonů s proměnnými otáčkami. Přitom se rozlišuje mezi systémy pohonů v obytných a průmyslových oblastech. Současně platí různé mezní hodnoty EMC. Tepelné oběžné čerpadlo řízené měničem frekvence musí tedy v obytné oblasti splňovat přísnější požadavky podle kategorie C1, v průmyslové oblasti podle kategorie C2. Aby bylo možné úspěšně vyhovět této normě, musí však její požadavky splňovat také instalované vodiče. Tohoto lze dosáhnout pouze dobře stíněnými vodiči a ve speciálních případech také ještě dodatečnou montáží síťových filtrů.

 

Nevýhodou systémů s měniči frekvence jsou silná rušivá elektromagnetická pole. Jejich příčinou jsou extrémně krátké spínací a vypínací doby tranzistorů IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, bipolární tranzistor s izolovaným hradlem) pohybující se v oblasti nanosekund, resp. taktovací frekvence výstupního napětí měniče frekvence v rozsahu do max. 20 kHz. To vede k velkému podílu harmonických složek sinusového výstupního napětí měniče. Následkem silného elektromagnetického vyzařování (kde jako hlavní zdroj rušení působí zejména napájecí vodiče motorů) dochází ke značnému rušení v rozvodné síti, v elektrických zařízeních a v přenosu dat.

 

Základní harmonický signál, jehož napětí je přiváděno z měniče frekvence na motorový napájecí vodič, má sinusový průběh od 0 do 400 Hz v souladu s požadavky na otáčky motoru. Při změně charakteristické impedance na začátku a konci motorového napájecího vodiče vznikají rázové vlny, při kterých dochází k přepětím následkem odrazů harmonických složek. K tomuto dochází pouze tehdy, je-li délka motorového připojovacího vodiče větší než vlnová délka harmonického kmitání. U malých délek vodičů, tedy je-li délka vodiče menší než vlnová délka, dochází na výstupu měniče frekvence k rozkmitávacím procesům. To má za následek výskyt napětí, která jsou dvoj- až trojnásobkem napětí motoru a která pak jako napěťové špičky pravidelně zatěžují izolaci motorového připojovacího vodiče a závitů cívek motoru. Proto musí být izolace motorového připojovacího vodiče dimenzována tak, aby mohla odolávat těmto napěťovým špičkám.

 

Následkem vysokých frekvencí na výstupu měniče vznikají velké kapacitní svodové proudy. Tyto vysokofrekvenční kapacitní pracovní proudy následně tečou přes stínění a skříň motoru do země, a určují tak mj. také průřez stínicích opletení a přípojů stínění. Stínění musí být konstruováno tak, aby se nadměrně nepřehřívalo protékajícím proudem.

 

Dále dochází vlivem velkých zemních kapacit, především u dlouhých vedení, k velkým jalovým proudům, které zatěžují měnič frekvence do té míry, že následkem nadproudového omezení měniče již nemůže být k motoru přenášen potřebný činný výkon. K motoru se tak již nedostanou proudy, které jsou nezbytné pro vytvoření potřebného točivého momentu, ale naopak tečou jako velké svodové proudy přes stínění a přes části motoru do země. Tyto rušivé proudy mohou protékat také kuličkovými ložisky hřídele motoru. Tím může dojít ke značnému poškození kroužků kuličkového ložiska, což se projevuje jako nežádoucí malé důlky.

 

Společnost Helukabel přichází s řešením, které odstraňuje popsané nevýhody techniky měničů frekvence. Jde o motorové připojovací vodiče se speciální optimální konstrukcí, které zahrnují typové řady Topflex-EMC a Motorflex-EMC. Pomocí dvojitého stínění ze speciální hliníkové fólie a optimálního stínicího opletení z pocínovaných měděných drátků se stupněm pokrytí asi 80 % jsou splněny požadavky na EMC podle ČSN EN 61800-3.

 

Vysokou úroveň EMC v oblasti od 30 MHz do 1 GHz lze prokázat srovnávacími měřeními rušivého elektromagnetického vyzařování na nestíněných připojovacích vodičích a na stíněných připojovacích vodičích pro EMC od firmy Helukabel.

 

Pro dolní frekvenční oblast 1 až 30 MHz je možné dokladovat vysokou úroveň EMC stíněných vodičů pomocí měření, která poskytují extrémně malý vazební odpor, který je považován za kritérium účinnosti určitého elektrického stínění. Čím menší je vazební odpor, tím menší je rušivé napětí rozhraní napájecího zdroje a tím lepší je i účinek stínění. Výsledek měření rušivé úrovně v laboratoři pro měření EMC jednoznačně ukazuje, že u motorových připojovacích vodičů pro EMC od firmy Helukabel s optimálním stíněním nejsou překračovány mezní hodnoty intenzity rušivého pole podle ČSN EN 61800-3.

 

Nestíněné vodiče oproti tomu překračují intenzitami rušivých polí především u hlubokých (velmi nízkých) frekvencí mezní hodnoty pro průmyslovou oblast a velmi výrazně pro obytnou oblast. Na nízkých frekvenčních rozsazích 1 až 30 MHz byl naměřen malý vazební odpor, který způsobuje malou intenzitu rušivého pole v okolí. To zaručuje malou intenzitu rušivého pole v oblasti 1 až 30 MHz. Izolace žil motorového připojovacího vodiče by měla být po elektrické stránce z velmi kvalitního polyetylenu (PE). Tloušťka stěny PE izolace je zvlášť dimenzována tak, aby odolávala stálým napěťovým špičkám o dvojnásobné hodnotě jmenovitého napětí měniče (jmenovité napětí U₀ = 600 V, nejvyšší přípustné provozní napětí U_b = 1 200 V).

 

Většinou je výstup měniče frekvence ještě dodatečně opatřen elektrickým filtrem, který odfiltruje vysokofrekvenční harmonické složky, a vyhladí tak napěťové špičky. Prostřednictvím malé relativní permitivity ε_r = 2,3 speciální PE izolace žil (2Y) se u motorových připojovacích vodičů pro EMC dosahuje ve srovnání se staršími motorovými připojovacími vodiči s izolací z PVC menší provozní kapacity a kapacity stínění. To ve svém důsledku znamená podstatné snížení kapacitních rušivých proudů, čímž je umožněn přenos výkonu mezi měničem a motorem s malými ztrátami. Dále je díky velké kvalitě PE izolace zajištěna dlouhá životnost vodiče. Symetrickým uspořádáním žil s třemi napájecími žilami a ochranným vodičem rozděleným na třetiny (žilová konstrukce 3 + 3), jako např. u vodičů typu Topflex EMC 3 Plus a Motorflex EMC 3/3, je možné tyto vlastnosti ještě zlepšit. Tím se sníží provozní kapacita, indukčnost a kapacitní rušivé proudy. Toto ještě výrazněji zlepšuje přenos výkonu z měniče frekvence na vstup motoru.