PWM Ett nödvändigt ont? En problemlösares erfarenheter. Gunnar Englund, GKE Elektronik AB, Granbergsdal

Transkript

1 1

2 Problem: Diazedsäkringartill lysrörsarmaturer blev mycket varma. Ibland så varma att de löste. Trots att installerad last var ca 50 % av märkströmmen. Det aktuella energiverket var oroat. Fanns det något dolt fel i lysrörsarmaturerna eller i installationen? Kunde det leda till brand? 2

3 Lysrörsarmatur med äldre ballast och kompenseringskondensator Filter reducerar strömmen så att säkringarna håller. Switchkomponenterfrån omriktaren går bakvägen tillbaka till nätet. De höga frekvenskomponenterna kortsluts till PEN av kondensatorn. Tillskottsvärmen knäcker säkringen. Frekvensomriktare med motor, ca 300 kw 3

4 Jordfelsbrytare PWM Ett nödvändigt ont? Filter kan vara effektiva störmotmedel. De Ser till att störströmmarna leds av till PEN så att de inte kommer ut på nätet. Men, vänta! Vart tar de då vägen? Dit, där filtrets jord är ansluten, förstås. Det vill säga till PEN. Nu uppstår två problem: 1. Jordfelsbrytaren accepterar inte att del av strömmen går till jord. Den löser ut. Det är inte bra 2. Vi får ut mängder med högfrekvent ström i PEN. Vi sprider alltså störningarna den vägen i stället. Det är inte heller bra. 4

5 I ett femledarsystem då? Där är ju PE och N separerade. Ja, men titta på ett vanligt omriktarfilter. Hur är dess jordtamp ansluten? Till jord/pe. Visst. Läckströmmentill jord i en NFO Sinus omriktare har mätts till mindre än 1 ma. Typiskt ca 0.7 ma. Så mycket bättre om den varit ansluten till N. N får ju belastas men ström i PE är egentligen mot föreskrifterna. Det är därför som man föreskriver två av varandra oberoende skyddsjordar till isolerat (gummifötter) uppställda fläktaggregat med frekvensomriktare. Det verkar som om filtertillverkarna börjar inse detta. Det sägs numera finnas filter som är avsedda att anslutas till N. 5

6 Trefasmotorn konstruerades för ren sinus. Och det mår den bäst av. Om motorn själv får bestämma så väljer den en omriktare med ren sinusvåg.. Äldre motorer mår inte bra av PWM. Isolationen är inte byggd så att den kan ta hand om den ojämna spänningsfördelningenmellan varven som PWM orsakar (First TurnsBreakdown). Snabba switchflanker ger också höga kapacitiva strömmar som i sin tur ger höga fältstyrkor mellan lindning och gods. Det alstrar ozon (O 3 ) som är mycket bra på att förstöra isolation. Inte ovanligt att det tar ett antal år. Men snabbare går det! Speciellt i kompakta konstruktioner och 690 V nät. Två månaders livslängd är känt. 6

7 Exempel på reflexion vid motorns kopplingslåda. Nätet är 690 V och motoreffekten är 800 kw. Kompakt, vattenkyld motor. Lindningshaveri efter ca två månaders drift. Reserven gick också i cirka två månader. Högt du/dt är farligt för motorerna även i mindre doser än vi ser här. 7

8 Automatisk avläsning av elmätare (AMR) ska vara genomförd i Sverige till juli Av tillgängliga tekniker är PLC (Power Line Communication) mycket attraktiv. Ledningarna är ju redan på plats och tekniken finns. Tyvärr visar det sig att PWM stör kommunikationen. Några registreringar visar hur det kan se ut på olika platser. Det finns tre typer av störningar av PLC: Distorsion, överlagrad HF och dämpning i filter. Till dämpning i filter kan man också räkna att kompenseringskondensatorer ofta kortsluter signalerna. 8

9 Många mätaravläsningssystem använder sig av frekvensområdet mellan 50 och 100 khz. Det är ett oreglerat område där alla får vara med och slåss. Pilarna visar signalernas centerfrekvens. Mätningen är gjord nära sändaren, varför signalstyrkan är extremt god. 9

10 Mätning av störnivå på hotell. PLC fungerade inte på detta nät. Speciellt svårt var det att läsa de mätare som inte satt direkt vid servisen utan längre in i anläggningen. Den röda linjen anger vid vilken lägsta nivå kommunikationen förväntas fungera. Fat Chance 10

11 Högt ljud Frekvensomriktare sätts in i bostäder, lätt industri, skolor, sjukhus, kontor och andra miljöer där man inte vill ha höga eller irriterande ljud. Frekvensomriktare kan arbeta akustiskt tyst om man lägger switchfrekvensen tillräckligt högt helst över 16 khz. Hur hundar och katter mår vid de frekvenserna har jag inte sett någon utredning om. Men det kommer säkert. Hög switchfrekvens är egentligen av ondo. Det ger sämre verkningsgrad, mera högfrekvensstörningar, snabbare nerbrytning av isolation och framför allt mycket snabbare förstörelse av motor lagren. Tendensen är därför i dag att arbeta med låga switchfrekvenser. Mellan 1,6 och 2,4 khz. Det område där örat är som känsligast. Det enda filter som hjälper mot höga motorljud är sinusfilter. Commonmodeoch du/dt är helt verkningslösa mot ljud. Tanke: Varför inte använda en omriktare med sinusspänning? 11

12 Trots allt som sagts om problem med PWM-omriktare så är det ett problem som dominerar. Och det är motorlagrens ofta mycket korta livslängd. Problemet behandlas bland annat i EDM Physicsand Reality som finns för nerladdning på NFO:s hemsida. Första sidan visas nedan. Resten av presentationen kommer att handla om olika faktiska lagerskador, hur de uppstått, hur felmekanismerna oskadliggjorts och hur elektrisk aktivitet i lager kan mätas och kvantifieras. 12

13 Inte alltid omriktare som skadar lager Bilden visar två av de pumpar som håller en gruva i norra Sverige torr. Motorer och pumpar står på gemensam stålram. Bågtandkopplingar. Med oregelbundna mellanrum får man problem med strömskador i lagren. De uppstår plötsligt från en dag till nästa. 13

14 Skadan är inte det minsta lik den vanliga tvättbrädesskadan. Den här ser mera ut som en svetsskada. Men svetsning förekommer inte i pumprummet däremot spränger man i gruvan, i stor omfattning. Och det kan inte hjälpas att man emellanåt skjuter av en eller annan kabel. Med rejäla kortslutningar som följd. Skadan är mycket begränsad. Mindre än 0,1 millimeter längs periferin. Inre löpbanan är cirka 100 mm i diameter. 14

15 Så här ser det ut. Motor och pump står på gemensam stålram. Hur kan en jordslutning över huvud taget komma på tanken att ta sig genom motorlagret? En liten fingervisning har man i att skadan har så liten utbredning. En tiondels millimeter på cirka 300 millimeters omkrets. Och motorn snurrar med cirka 1500 RPM. Ett varv på 40 millisekunder. Det blir lite drygt 10 mikrosekunder. 15

16 Rörsystemet är kopplat till bergjord Jordlina Jordbock i ställverk En kortslutning där man har höga kabelkapacitanser ger mycket branta initiala strömflanker. Kortslutningseffekten har ingen inverkan de första mikrosekunderna. Säg att strömmen ökar med 100 ka/µs. Då betyder varje mikrohenryi strömmens väg 100 mvspänningsfall. Förhållandet mellan induktanserna i den övre vägen och den undre är troligen 1:2. Den övre vägen (lager axel pump jord) har lägst induktans och det är den vägen strömfronten väljer. Motmedel: Isolerat lager. 16

17 Fläktdrifter. En av de vanligaste frekvensomriktarapplikationerna. I typiska ventilationssystem är fläkthjulet ofta monterat direkt på motoraxeln. Eller remdriven. Man har så kallad flytande last. Förenklad bild av trefas asynkronmotor. Lägg märke till att det finns kapacitans mellan lindning och stator, mellan lindning och rotor och mellan rotor och stator. Dessa kapacitanser bestämmer vad som händer vid PWM-drift. 17

18 Den spänning som rotorn ser är summan av fasspänningarnas PWMspänningar. Den så kallade Common-Modespänningen. Den ser ut som oscillogrammet i bilden. Det är denna spänning som kopplas kapacitivttill både rotor OCH stator. Om man inte jordar statorn (don ttry this at home!) så får man faktiskt ganska låg spänning över lagret. Ja, faktiskt. Det är först när man jordar statorn som man får en spänningsskillnad. 18

19 Ett effektivt sätt att jorda motorn är att använda en bra skärmkabel och se till att den är väl ansluten till motor och omriktare den berömda 360⁰ förskruvningen. Ett par mätningar visar vad som händer: Utan 360 ⁰ förskruvning Med 360 ⁰ förskruvning Registreringarna visar spänning över lagret i en 3 kw fläktmotor. 19

20 Ur rapporten Detta är endast ett av numera ganska många fall där bondförnuftet inte alltid leder rätt. Det finns alltför mycket av självklara sanningar i branschen ofta förmedlade av välmenande säljare. 20

21 Motmedel? Vad finns att tillgå? Isolerade lager Insocoat Isolerad lagerinbyggnad Hybridlager (keramiska kulor) Isolerad koppling hjälper i vissa situationer Jordningsborstar mot axel Kolfiberringar mot axel Kvicksilversläpring (Mercotac) Motorreaktorer dv/dt-filter Common-modefilter Ekvipotentialförbindning aka jordning Omriktare med sinusutgång En ganska diger lista. Det är inte alltid lätt att veta vad som kommer att fungera. Erfarenhet hjälper. Säljare har sällan rätt erfarenhet. 21

22 Ytterligare par frågor: HUR VET MAN ATT ÅTGÄRDER BEHÖVS? OCH, HUR VET MAN ATT DE FUNGERAR?..även efter ett antal år.. Om man har lagerskador efter något års drift så vet man förstås att någon form av åtgärd behövs. Men, så mycket bättre det vore att veta redan från start. Då hade man sluppit ett oönskat och oplanerat stopp för lagerbyte. Man behöver alltså kunna förutsäga prediktera strömskador i ett lager. Och man behöver också ha en möjlighet att kontrollera att eventuella skydd fungerar. I dag och i framtiden. 22

23 22 V 20 µs 30 ms 23

24 I förra bilden visades ett antal typiska EDM-händelser. Dvs genomslag i kullager eller rullager. Utmärkande är att genomslagen sker mycket snabbt. Man kan räkna med nanosekunder från topp till noll volt. 30 ms Att mäta falltider på ns är inte lätt. Framför allt inte om man dessutom vill ha lite koll på vilka amplituder, dvsenergier i urladdningen, det handlar om. Man kan få en uppfattning om problemet om man betänker att vanliga komparatorer (LM319, betecknas som snabb) har 80 ns responstid och en som betecknas DamnFast har 10 ns. Hur som helst det går att göra det. Även om det är lite av att leta nålar i en höstack. 24

25 25

26 26

27 Tack för att ni lyssnade så snällt! /Skogsgurra Och kom ihåg: Sinus om motorn själv får välja! 27

28 Perspektiv på effekter och energinivåer. Energin i en EDM-pulsi ett normalt lager är cirka 1 mikrojoule (1 µws). Energin i ett haveri efter en 6 MVA transformator är cirka joule (50 MWS)). Men då är också skadorna ganska rejäla.. 28