Taajuusmuuttajan kapasitanssien vaikutus moottorin laakerivirtoihin

Abstract

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan taajuusmuuttajakäyttöisissä sähkömoottoreissa ilmeneviä laakerivirtoja. Tutkielma koostuu kirjallisesta ja kokeellisesta osuudesta. Kirjallisuusosiossa selvitettiin erilaisten laakerivirtojen juurisyitä, kulkureittejä ja minimointikeinoja. Kokeellisessa osuudessa tutkittiin, miten taajuusmuuttajan pääpiirin ja rungon välinen kapasitanssi vaikuttaa kapasitiivisia purkausvirtoja aiheuttavaan akselijännitteeseen.

Moottorin akselijännite mitattiin, kun 15 kW:n oikosulkumoottoria syötettiin viidellä erilaisella taajuusmuuttajalla 20 Hz syöttötaajuudella. Akselijännitteiden mittaukset tehtiin järjestelmää syöttävän muuntajan tähtipisteen ollessa joko maadoitettu (TN-S järjestelmä) tai irti maasta (IT järjestelmä). Tämän lisäksi vertailtavien taajuusmuuttajien kapasitanssien arvot mitattiin pääpiirin eri pisteiden ja rungon välillä ja niitä vertailtiin moottorin akselijännitteiden arvoihin.

Huomattiin, että taajuusmuuttajan aiheuttama yhteismuotoinen jännite jakautuu IT-verkossa moottorin kapasitanssien lisäksi myös taajuusmuuttajan ja rungon välisille kapasitansseille. Tällöin akselin ja maan välinen potentiaaliero on pienempi kuin sähkökäytön ollessa TN-verkossa. Yhteismuotoisen jännitteen jakautumisen suuruus on myös selvästi riippuvainen kapasitanssien arvojen suuruudesta.

This thesis investigates bearing currents that occur in induction motors fed by frequency converters. The study consists of both an analytical and an experimental part. In the analytical part, the root causes, paths and mitigation techniques of different bearing current types were examined. In the experimental section, it was investigated how the capacitance between variable frequency converter’s main circuit and frame affects motor shaft voltage that causes capacitive discharge currents.

The motor shaft voltage was measured when a 15 kW induction motor was fed with five different variable frequency converters at 20 Hz output frequency. Measurements were taken either with transformer neutral point grounded (TN-S system) or floating (IT system). Additionally, different capacitance values were measured between the main circuit and the frame of the converters. Those values were compared to the measured motor shaft voltage values.

It was noted that in the IT system the common mode voltage caused by the converter split not only on the capacitances of the motor, but also on the capacitance between the main circuit and the frame of the converter. In this case, the potential difference between the shaft and the earth is less than it is in the TN system. The division of the common mode voltage is also clearly dependent on the size of the capacitance values.