Sähkökäyttöjen kaapelivärähtelyt

Abstract

Taajuudenmuuttajan kytkennän synnyttämä nopea jännitemuutos aiheuttaa pitkään moottorikaapeliin sähköisen värähtelyilmiön. Ilmiö on tullut erityisesti esille uusien nopeasti kytkevien puolijohdetehokytkimien ilmestyttyä markkinoille. Taajuudenmuuttajan lähtöön asennettu jännitteen nousunopeutta rajoittava suodin vähentää kaapelivärähtelyä, mutta riittävän pitkässä kaapelissa värähtely on voimakasta lähtösuotimesta huolimatta. Kaapelivärähtelyilmiön seurauksena moottorikaapelin taajuudenmuuttajan puoleiseen päähän syntyy voimakas virtavärähtely ja moottorin puoleiseen päähän voimakas jännitevärähtely. Sähkökäyttöjen vektorisäätöalgoritmit tekevät ohjauspäätöksiä moottorikaapelin taajuudenmuuttajan päästä tehtyjen virtamittausten perusteella. Säädön päätösväli on niin lyhyt, että kaapelin virtavärähtely ehtii häiritä säädön toimintaa. Tässä työssä on esitetty kaapelivärähtelyä kuvaava taajuudenmuuttajan lähtösuotimen huomioon ottava siirtofunktioperustainen matemaattinen malli. Mallin avulla kaapelivärähtelyilmiötä voi analysoida lineaarisen säätöteorian menetelmillä. Virtavärähtelyn moottorisäätöön tuomiin ongelmiin ratkaisuksi on esitetty virran mittasignaalin käsittelemistä analogisella ja digitaalisella suotimella. Simulointitulosten perusteella ratkaisua voidaan pitää toimivana. Lopuksi esitetään, kuinka avaruusvektoriteorian mukaista induktiomoottorimallia ja kaapelivärähtelymallia voidaan simuloida yhdessä.

Steep-fronted inverter pulses cause oscillations in a long motor cable. The phenomenon, usually known as the refected wave phenomenon, got wellknown after modern high-speed semiconductor switching devices arrived in the market. Oscillations can be reduced by using an inverter output filter to decrease the rate of voltage change. As the cable length increases, the oscillations are strong despite of the inverter output filter. The phenomenon causes voltage oscillations in the motor end of the cable and current oscillations in the inverter end of the cable. Vector control algorithms used in electric drives make decisions based on the current measured at the inverter end of the cable. Due to short control cycle the oscillations interfere the motor control system. In the thesis a transfer function based mathematical model for the refected wave phenomenon is introduced. The model takes into account the inverter output filter and allows the phenomenon to be analyzed with the methods of the linear control theory. As a solution to the motor control problem caused by the current oscillations an analog and digital filtering of current feedback signal is proposed. By simulations the solution was found to be efective. Finally it is shown how the space-vector induction motor model and the cable oscillation model can be combined.