Дроссели для преобразователей напряжения

Дроссель для частотного преобразователя

Частотное регулирование – самый перспективный метод управления электроприводом переменного тока. Преобразователи частоты позволяют изменять скорость вращения вала и момент, значительно сократить потребление электроэнергии.Частотное регулирование – самый перспективный метод управления электроприводом переменного тока. Преобразователи частоты позволяют изменять скорость вращения вала и момент, значительно сократить потребление электроэнергии. Один из серьезных недостатков такого метода – электромагнитные помехи. Их главным источником являются блоки быстро переключающихся транзисторов и тиристоров. ЭМП приводят:

• К искажению синусоидальной формы напряжения и тока.
• К снижению коэффициента мощности.

Помехи возникают в сети на входе частного преобразователя, в выходной цепи преобразователь-двигатель. Для снижения уровня ЭМП применяют многопульсные силовые схемы, оптимизированные алгоритмы управления ШИМ, совершенствование элементной базы электронных ключей. Однако, самым простым и надежным способом подавления искажений остаются встроенные фильтры.

Рассмотрим типы, преимущества и недостатки устройств для уменьшения помех, применяющихся в частотно-регулируемом приводе.

Входные фильтры

Нелинейная нагрузка, к которой относятся преобразователи частоты – источник паразитных гармоник. При их наложении на синусоидальное напряжение в сети возникает искажение формы, что отрицательно сказывается на качестве электроэнергии и негативно влияет на работу электрооборудования. Входные фильтры делятся на активные и пассивные.

Пассивные входные фильтры

Простейший входной фильтр предоставляет собой катушку с высокой индуктивностью Motor Reactor, более совершенные устройства – двухступенчатый колебательный контур. Оборудование служит буфером между источником помех и электросетью.

Такие устройства устанавливают:

• При значительном количестве источников паразитных гармоник.
• При разнице нагрузки на фазы больше 1,8%.
• В сетях с компенсаторами реактивной мощности.

Входные фильтры такого типа подавляют импульсные помехи (5, 7, 11 гармоники), частично компенсируют асимметрию фаз. При высоком уровне фоновых искажений, гармоническая составляющая также возрастает, устройства эффективны при искажении напряжения (THDv) до 10%.

Пассивные входные фильтры обладают следующими преимуществами:

• Отсутствие технического обслуживания. Катушки и конденсаторы не нужно регулярно обслуживать.
• Устойчивость к нестабильному напряжению сети, искажению тока и напряжения. Устройства можно устанавливать в электросетях с большим количеством нелинейных потребителей. Допустимо применение при питании от автономного генератора.
• Возможность встраиваться в существующие электроприводы. Входные фильтры можно ставить при модернизации уже работающего оборудования, устройства совместимы с большинством преобразователей частоты.

Индуктивные и индуктивно-емкостные фильтры снижают искажения напряжения THDv до 5% и тока THDi до 10% при номинальной нагрузке. При недозагрузке частотно-регулируемого электропривода устройства также эффективны.

Активные входные фильтры

При использовании в качестве источника питания автономного генератора при низкой нагрузке или ее отсутствии, возможно нарастание напряжения, что приводит к пробою конденсаторов. В этом случае необходима установка выключателя для емкостных элементов при снижении нагрузки до 20% от номинального значения.

При высоких требованиях к качеству электроэнергии в сети, низком коэффициенте мощности, фоновом искажении по напряжению больше 10% применяют активные входные фильтры. Устройства нового поколения автоматически определяют частоту, амплитуду и фазу паразитной составляющей и генерируют напряжение, компенсирующее отклонения.

Активные выходные фильтры:

• Полностью компенсируют нежелательные гармоники во всем диапазоне частот.
• Исключают явление резонанса в электросетях.
• Увеличивают общей коэффициент мощности.
• Могут работать на один или несколько электроприводов с преобразователями частоты, на любую другую нелинейную нагрузку.

Устройства совместимы с пассивными фильтрами всех типов, емкостными компенсаторами реактивной мощности. При необходимости допустимо параллельное включение нескольких активных фильтров. Главный недостаток таких устройств – высокая стоимость. Оборудование применяют при высоких требованиях к ЭМС, низком коэффициенте мощности, значительной нелинейной нагрузки.

Фильтры радиопомех

При эксплуатации частотного преобразователя возникают также помехи в диапазоне радиочастот. Они отрицательно влияют на работу медицинского оборудования, бытовой техники, теле-радиоприемников, Wi-Fi-роутеров и маршрутизаторов.

При установке преобразователей частоты в зонах, где недопустим высокий уровень помех на радиочастотах, устанавливают RFI-фильтры. Производители выпускают ПЧ со встроенными фильтрами от радиопомех, а также внешние устройства RFI.

При выборе преобразователя необходимо учитывать требования к уровню радиопомех. При модернизации существующего привода нужно обратить внимание на возможность подключения RFI-фильтра во входную цепь ПЧ.

Выходные фильтры

Напряжение на выходе преобразователей частоты с непосредственной связью с сетью, устройств на тиристорах или 6-пульсных схемах несколько отклоняется от синусоидальной формы. Это ведет к дополнительному нагреву двигателя, повышенному шуму при работе привода. Для устранения помех в выходной цепи ПЧ применяется несколько типов устройств:

• Синусовые фильтры.
• Фильтры синфазных помех.
• Фильтры dU/dt.

Синусовые фильтры состоят из индукторов и конденсаторов. Параметры элементов подобраны таким образом, чтобы пропускать ток низкой частоты, высокочастотные составляющие при этом отсекаются.

• Уменьшение подшипниковых токов.
• Защиту электродвигателя от пиковых напряжений.
• Устранение высокочастотного “дребезга” кабеля, уменьшение ЭМП от неэкранированных проводников.
• Защиту электродвигателя от пиковых напряжений.
• Устранение акустических шумов при коммутациях.

Синусовые фильтры снижают потери на двигателе и в преобразователе частоты, значительно продлевают срок службы электропривода. Сфера применения устройств: двигатели с частым рекуперативным торможением, длительно бывшие в употреблении электрические машины, приводы, работающие при высоких температурах и агрессивных средах.

Выходные фильтры dU/dt также представляют собой колебательные контуры, настроенные на пропуск низких частот. Емкостные и индуктивные элементы подобраны так, чтобы частота отсечки фильтров была выше номинальной частоты коммутации тиристорного или транзисторного блока ПЧ.

• Защищают двигатель от нарастаний напряжения.
• Могут применяться для модернизации приводов со старыми электродвигателями, не предназначенными для работы с преобразователями частоты.

Область применения фильтров dU/dt – приводы на 680 В, двигатели, работающие с частым рекуперативным торможением, старые электроприводы, не предназначенные для частотного управления. Устройства также устанавливают при длине кабеля от ПЧ до двигателя менее 15 м. Фильтры dU/dt дешевле и компактнее синусовых устройств.

Устройства фильтрации высокочастотных синфазных помех уменьшают высокочастотный шум более 1 МГц. Фильтры такого типа ограничивают подшипниковые токи и уменьшают износ двигателя.

Сравнительные характеристики выходных фильтров приведены в таблице:

Убирает явление ”дребезга” в кабеле двигателя. Не влияет на помехи в радиочастотном диапазоне.

Не допускает применение более длинных кабелей двигателя, как указано в спецификации на ПЧ или на встроенный фильтр RFI.

Аналогично фильтрам dU/dt

Снижает шумы частоты выше 1 MГц. Не влияет на помехи в радиодиапазоне.

Не допускает использование кабелей большей длины двигателя, чем указано в инструкции на ПЧ.

До 100 м неэкранируемого кабеля с сохранением заявленной ЭМС.

До 150 м, при использовании экранированного кабеля с сохранением заявленной ЭМС.

100-150 м при применении неэкранируемого кабеля без сохранения ЭМС.

С сохранением ЭМС – до 150-300 м, при использовании экранированного и неэкранированного кабеля.

Без гарантии ЭМС 500-1000 м.

Заключение

Входные и выходных фильтры для ПЧ выбирают при проектировании электропривода. При выборе учитывают:

• Совместимость с преобразователем частоты.
• Требования к ЭМС в зоне установки устройства.
• Особенности электросети.
• Характеристики электродвигателя.
• Условия эксплуатации.

Фильтры подбирают, исходя из технических и экономических требований к приводу. В большинстве случаев установкой устройств можно устранить искажения и помехи от ПЧ без существенного удорожания электропривода.

Назначение дросселя для частотного преобразователя

В большинстве ситуаций оснащение дросселем для частотного преобразователя лучше брать за правило. Я всегда советую потребителям не пренебрегать такими хорошими дополнениями, ведь с их помощью получится существенно увеличить срок службы и надежность ЧП.

Некоторые производители устройств увеличивают срок гарантии в 2 раза, если комплект с преобразователем включает защитный агрегат. В этом вопросе необходимо разобраться тщательнее, рассмотреть принцип работы оборудования и его главные особенности.

Что такое сетевой дроссель

Это оборудование достаточно полезное, его назначение улучшать электромагнитную совместимость ПЧ с сетью, в которую он запитан. Визуально главная составляющая устройства выглядит как обычная медная катушка, элементы наматываются зачастую на ферритовую или металлическую основу.

Есть экземпляры, не имеющие сердечника, я зачастую называю этот агрегат двухсторонним буфером, который работает между преобразователем частот и сетью. Он способен защитить от таких эксцессов как:

1. Высоких гармоник.
2. Импульсных всплесков.
3. Перескоков фаз напряжения.
4. Нарастания тока короткого замыкания во входящих цепях.

Назначение сетевого дросселя

Устройство подключается на входе линии питания ПЧ, который способен создавать широкий спектр помех. Эти эксцессы могут влиять на работу других экземпляров подключенных к сети или находящихся в непосредственной близости.

Возникает вопрос электромагнитной совместимости, помехи делятся на два типа, которые способны передаваться посредством электромагнитного поля и по питающим проводам.

Если в первом случае проблема решаема экранированием, то во втором варианте эти нюансы получится убрать, установив радиочастотные фильтры. Основные параметры сетевого приспособления выглядят так:

1. Индуктивность.
2. Длительность тока.

Я советую при выборе приспособления обращать внимание на номинальный ток, чтобы не допустить перегревания оборудования. Он должен быть больше или равняться максимальным показателям, приведенным в паспорте преобразователя.

Устройство сетевого дросселя для частотника

Строение приспособления достаточно простое, но обыкновенный сердечник с намотанной на него медной проволокой способен уберечь от множества проблем, связанных с преобразователями. Конструктивно я сравниваю устройство с обычным трансформатором, в котором присутствует одна обмотка.

Особенно важен момент, что при возникновении поломки частотного преобразователя на 380 Вольт или любой другой мощности по причине некачественного напряжения в сети, гарантия на агрегат не действует, также дело обстоит и с импульсными перенапряжениями.

Чтобы обезопасить свое имущество и не понести убытки такие эксцессы в фазе на входе лучше предусмотреть, а в этом поможет именно сетевой дроссель, подробное устройство составляющих можно рассмотреть на специальных схемах.

Принцип работы

Эта разновидность катушки индуктивности предназначена для задержания на определенное время нежелательное влияние тока разных частот или его снижения. Резкие изменения я не наблюдал, силу тока в катушке практически нереально полностью снизить, это обусловлено законом самоиндексации, на выходе все равно сформируется напряжение.

Приспособление хорошо справляется с переменными составляющими короткого тока, помехи достаточно продуктивно сглаживаются. Снижаются пульсации в сети, можно ограничить или разделить частотные сигналы в зависимости от поставленных заранее целей.

Моторный дроссель для частотного преобразователя будет незаменим при работе электродвигателей, он включается непосредственно в цепь питания этого мощного оборудования. Синусоидальный фильтр связан с принципом работы ПЧ, приспособление способно снижать высшие гармоники питающего напряжения, и минимизирует высокочастотные токи в сети питания двигателя.

Потери в работе снижаются, а коэффициент мощности в процессе увеличивается до максимума благодаря моторному дросселю. Не менее важно учитывать один нюанс, номинальный ток такого типа оборудования должен превышать те же самые высокие показатели двигателя. Рабочая частота может достигать выше 400 Гц, поэтому расчет падения производится с учетом этих особенностей.

Дроссель в понижающих преобразователях

В действие вступает эффект накопления электромагнитного поля, отдавать этот ресурс приспособление будет в виде электричества. Поступившие в дроссель короткие импульсы из линии питания не могут сформировать поле до конца, за счет составляющих конструкции устройства цепь трансформируется в источник питания.

Если поступило 12 Вольт, то из-за неполного насыщения на выходе будет примерно 5 Вольт. Импульсов может быть достаточно много, в одну секунду их насчитывается больше нескольких тысяч.

Дроссель в повышающих преобразователях

Поскольку приспособление не способно удерживать энергию и сразу отдает ее, то если насыщенный элемент отсоединить от сети, на выходах начнет расти напряжение. Устройство будет пытаться отдать накопленный заряд.

Продолжаться этот эффект будет до тех пор, пока величина не станет критичной и произойдет пробой прослойки между выводами приспособления. Это свойство применяется в повышающих преобразователях, ток способен достаточно спокойно протекать по замкнутой цепи.

Чтобы добиться изменений, в нее устанавливают транзистор, который выполняет функцию размыкания/замыкания, импульсное напряжение получится снимать.

Когда можно обойтись без него

Без дросселя для частотного преобразователя получится добиться надежной защиты в таких случаях:

1. Если питающие сети не содержат электроприборов с большой мощностью.
2. Сопротивление находится на высоком уровне.
3. Отсутствуют резкие изменения.
4. Нет скачков в подаче тока.

Некоторые производители предлагают оснащать ПЧ специальными полупроводниковыми предохранителями, либо запас по мощности у приспособления будет достаточно большой, тогда от защитного устройства можно отказаться.

Не менее продуктивными стоит назвать специальные автоматы категории «В», которые могут стать достойной альтернативой и повлиять на срок службы ЧП.

Назначение сетевых и моторных дросселей

В данной статье мы рассмотрим сетевые и моторные дроссели — фильтры низких частот, которые устанавливаются на входе и выходе частотных преобразователей. Простейшая схема подключения ПЧ выглядит следующим образом: три фазы на входе, три фазы на выходе, электродвигатель.

Однако здесь возникает одна проблема. Дело в том, что частотный преобразователь является генератором широкого спектра помех, которые могут оказывать значительное влияние на работу устройств, находящихся неподалеку или питающихся от одной сети. С другой стороны, ПЧ сам реагирует на помехи различного рода, поскольку в его состав входят слаботочные компоненты. Поэтому при применении преобразователя очень важным является вопрос электромагнитной совместимости.

Условно помехи можно разбить на два основных вида:

1. помехи, передающиеся по электромагнитному полю
2. помехи, передающиеся по питающим проводам

В первом случае наводки можно уменьшить, проведя качественное экранирование и заземление преобразователя частоты, его проводов и периферийных устройств. Высокочастотные помехи, распространяющиеся по проводам, значительно снижаются с помощью радиочастотных фильтров.

Назначение входного сетевого дросселя

Сетевой дроссель, который также называют входным реактором, подключается на входе питания частотного преобразователя (обычно это силовые клеммы R, S, T). Основными параметрами сетевого дросселя являются индуктивность и максимальный длительный ток. Индуктивность выбирается такой, чтобы при рабочей частоте и номинальном рабочем токе падение напряжения на дросселе составляло 3-5%. Рассчитать падение можно по формуле:

U=2πfLI, где f – рабочая частота (Гц), L – индуктивность дросселя (Гн), I – ток, А.

Рассмотрим основные плюсы применения сетевого дросселя.

1. Подавление высших гармоник, проникающих в питающую сеть от преобразователя частоты и обратно. Обычно в состав ПЧ входит радиочастотный фильтр, снижающий данные наводки. Подключение сетевого дросселя создает дополнительное подавление высокочастотных помех. В результате уровень высших гармоник питающего напряжения в значительной степени уменьшается, а действующее значение питающего тока стремится к величине тока основной гармоники (50 Гц).

2. В случае, когда источник питания расположен близко, и сопротивление питающей линии очень низкое, использование сетевого дросселя позволяет значительно уменьшить ток короткого замыкания и увеличить время его нарастания. Это позволяет защитить ПЧ при коротких замыканиях на выходе.

3. Если на одной шине питания расположены несколько мощных устройств, возможны ситуации, когда при их включении или выключении возникает скачок напряжения с большой скоростью нарастания. Сетевой дроссель значительно понижает этот эффект.

При выборе оборудования следует учитывать один нюанс. Чтобы избежать перегрева дросселя, его номинальный ток должен быть равен или больше максимального тока преобразователя.

Когда сетевой дроссель не нужен

Оснащение преобразователей частоты сетевыми дросселями лучше взять за правило. Многие компании увеличивают гарантию в 2 раза при покупке ПЧ в комплекте с дроселями. Однако в некоторых случаях данным оборудованием можно пренебречь:

1. В питающей сети нет мощных электроприборов, имеющих большие пусковые токи.
2. Питающая сеть имеет сравнительно высокое сопротивление (низкий ток короткого замыкания).
3. Режим работы ПЧ исключает резкие изменения мощности, при которых скачкообразно растет потребляемый ток.
4. В соответствии с рекомендациями производителя, для защиты ПЧ применяются полупроводниковые предохранители, либо защитные автоматы характеристики В.
5. Имеется большой запас по мощности ПЧ по отношению к используемому двигателю.

Тем не менее, в целом использование сетевых дросселей значительно повышает срок службы и надежность работы частотных преобразователей.

Использование моторного дросселя

Моторный дроссель включается в цепи питания электродвигателя. Другие его названия – выходной реактор или синусоидальный фильтр.

Необходимость применения моторного дросселя обусловлена принципом работы ПЧ. На выходе преобразователя стоят силовые транзисторы, которые работают в ключевом режиме. При этом образуются прямоугольные импульсы, приближающие действующее напряжение по форме к синусоиде за счет изменения длительности. Моторный дроссель снижает высшие гармоники выходного напряжения ПЧ и делает ток питания двигателя практически синусоидальным, минимизируя высокочастотные токи. Это повышает коэффициент мощности и позволяет уменьшить потери в двигателе.

Кроме того, из-за высших гармоник на выходе ПЧ повышаются емкостные токи, которые могут привести к ощутимым потерям при длине кабеля более 20 м. Моторный дроссель существенно снижает этот эффект. Данные устройства также устанавливают там, где важно уменьшить помехи, создаваемые кабелем от ПЧ до электродвигателя.

Следует учитывать, что номинальный ток моторного дросселя должен быть больше максимального тока двигателя. Расчет падения напряжения на дросселе следует производить с учетом максимальной рабочей частоты двигателя, которая может достигать 400 Гц.