Electromagnetic compatibility of frequency converter controlled air conditioning fans in a cruise vessel environment
Jaakkola, Hugo (2020)
Diplomityö
2020
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020101383959
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020101383959
Tiivistelmä
The thesis introduces electromagnetic interferences (EMI) and their occurrence mainly in the frequency converter controlled fan motor drives used in the air conditioning system. The air conditioning (AC) system was selected because it contains hundreds of electrical drives. The basic principles of EMI can be applied to all electrical systems within the cruise vessel.
In pulse width modulated induction motor drives the star point voltage is never zero. Rapidly rising pulses form common mode voltages causing high peaks that can cause breakthroughs over cable and induction motor structures. A commonly used maximum 51 kW electrical drive was simulated by imitating stray capacitances in the motor structures, frequency converter switching frequency and voltage level in MATLAB Simulink -software. Based on the results, a topology and parameters for an EMI filter were designed. Earthing and shielding practices are easily neglected, these were emphasized through their related theory.
It was found that even the vessel is built densely, the frequency converter driven fans are located in isolated AC-rooms, being an advance against EMI. The switching frequency used in the drives do not cause significant large bearing currents with short supply cables. It was shown that long supply cable affects to the magnitudes of the common mode voltage, bearing voltage and bearing current. A final decision whether to invest on EMI filters is up to vessel buyer, based on the research it is not necessary.
Alongside the thesis, standards related to the topic were purchased and basis for the EMC- and grounding instructions were created for the use in the electrical design department. Työssä tutustutaan sähkömagneettisiin häiriöihin (EMI) ja niiden ilmenemiseen pääasiassa ilmastointijärjestelmän taajuusmuuttajaohjatuissa puhallinmoottorikäytöissä. Ilmastointijärjestelmä valikoitui työhön sen laajuuden ja satojen taajuusmuuttajaohjattujen sähkökäyttöjen takia. Häiriöiden perusperiaatteet toki soveltuvat kaikkiin laivan sähköjärjestelmiin.
Pulssinleveysmodulaatio-ohjattujen induktiomoottoreiden tähtipisteen jännite ei ole nolla, vaan nopeasti nousevat jyrkät pulssit muodostuvat yhteismuotoiseksi jännitteeksi, jonka piikit voivat ajan mittaan aiheuttaa läpilyöntejä kaapeli- ja moottorirakenteiden yli. MATLAB Simulink -ohjelmistolla jäljiteltiin maksimissaan 51 kW:n sähkökäytön rakenteellisia hajakapasitansseja ja taajuusmuuttajan kytkentätaajuutta sekä jännitettä. Vastaavia sähkökäyttöjä on työssä tarkasteltavassa laivasarjassa reilu kymmenen. Tulosten pohjalta suunniteltiin EMI suodattimelle topologia ja tälle parametrit. Helposti laiminlyötävissä olevia maadoitus- ja kaapelin suojavaippakäytäntöjä haluttiin työssä teorian kautta perustella.
Työssä todettiin, että tiheästi laivaympäristössä huolimatta puhallinmoottorit sijaitsevat sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) kannalta otollisilla sijainneilla, eristettyinä muista järjestelmistä AC-huoneissa. Taajuusmuuttajan 2 kHz kytkentätaajuus ei aiheuta merkittäviä laakerivirtoja lyhyillä syöttökaapeleilla. Työssä havaittiin pitkän syöttökaapelin vaikuttavan yhteismuotoisen jännitteen, laakerijännitteen ja laakerivirran magnitudeihin. Lopullisen päätöksen EMI suodatuksen tarpeesta päättää laivan tilaaja. Työn tutkimuksen perusteella tämä ei ole välttämätöntä.
Ohessa hankittiin standardeja sekä luotiin pohja EMC- ja maadoitus -ohjeille sähkösuunnittelu osaston käyttöön.
In pulse width modulated induction motor drives the star point voltage is never zero. Rapidly rising pulses form common mode voltages causing high peaks that can cause breakthroughs over cable and induction motor structures. A commonly used maximum 51 kW electrical drive was simulated by imitating stray capacitances in the motor structures, frequency converter switching frequency and voltage level in MATLAB Simulink -software. Based on the results, a topology and parameters for an EMI filter were designed. Earthing and shielding practices are easily neglected, these were emphasized through their related theory.
It was found that even the vessel is built densely, the frequency converter driven fans are located in isolated AC-rooms, being an advance against EMI. The switching frequency used in the drives do not cause significant large bearing currents with short supply cables. It was shown that long supply cable affects to the magnitudes of the common mode voltage, bearing voltage and bearing current. A final decision whether to invest on EMI filters is up to vessel buyer, based on the research it is not necessary.
Alongside the thesis, standards related to the topic were purchased and basis for the EMC- and grounding instructions were created for the use in the electrical design department.
Pulssinleveysmodulaatio-ohjattujen induktiomoottoreiden tähtipisteen jännite ei ole nolla, vaan nopeasti nousevat jyrkät pulssit muodostuvat yhteismuotoiseksi jännitteeksi, jonka piikit voivat ajan mittaan aiheuttaa läpilyöntejä kaapeli- ja moottorirakenteiden yli. MATLAB Simulink -ohjelmistolla jäljiteltiin maksimissaan 51 kW:n sähkökäytön rakenteellisia hajakapasitansseja ja taajuusmuuttajan kytkentätaajuutta sekä jännitettä. Vastaavia sähkökäyttöjä on työssä tarkasteltavassa laivasarjassa reilu kymmenen. Tulosten pohjalta suunniteltiin EMI suodattimelle topologia ja tälle parametrit. Helposti laiminlyötävissä olevia maadoitus- ja kaapelin suojavaippakäytäntöjä haluttiin työssä teorian kautta perustella.
Työssä todettiin, että tiheästi laivaympäristössä huolimatta puhallinmoottorit sijaitsevat sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) kannalta otollisilla sijainneilla, eristettyinä muista järjestelmistä AC-huoneissa. Taajuusmuuttajan 2 kHz kytkentätaajuus ei aiheuta merkittäviä laakerivirtoja lyhyillä syöttökaapeleilla. Työssä havaittiin pitkän syöttökaapelin vaikuttavan yhteismuotoisen jännitteen, laakerijännitteen ja laakerivirran magnitudeihin. Lopullisen päätöksen EMI suodatuksen tarpeesta päättää laivan tilaaja. Työn tutkimuksen perusteella tämä ei ole välttämätöntä.
Ohessa hankittiin standardeja sekä luotiin pohja EMC- ja maadoitus -ohjeille sähkösuunnittelu osaston käyttöön.