logo
+7 (499) 755-96-83
info@en-res.ru
Статьи / Оборудование для электромагнитной совместимости преобразователей частоты
bg-03-7
g-03-8

Оборудование для электромагнитной совместимости преобразователей частоты

Напряжение ШИМ

ПЧ генерируют на выходе необходимые базовые напряжение и частоту, используя технологию, известную как «Широтно-импульсная модуляция» (ШИМ). Для класса инверторов 380 В, типовое базовое напряжение составляет от 0 до 380 В, а базовая частота изменяется от 0 до 50 Гц. В выходной цепи инвертора находятся «переключающие» транзисторы, работающие на высокой скорости и создающие несущую частоту, поверх которой формируются необходимые базовые напряжение и частота. Принцип этого переключения совершенно аналогичен AM или FM радиопередаче, в которой полезная информация, в виде музыки или речи, передается на радиоприемник на какой-то заданной радиочастоте. Несущая частота, или частота переключения, используемая для ПЧ на базе IGBT, обычно составляет от 1 до 20 кГц.

Время переключения — это время, которое требуется IGBT инвертору на переход из состояния «выключен» (высокое сопротивление) к состоянию «включен» (низкое сопротивление), и наоборот. Для IGBT последнего поколения, время переключения варьируется в диапазоне от 100 до 200 наносекунд (нсек). Поскольку эти устройства используются в цепях постоянного тока инвертора напряжением, приблизительно 650 В, для класса инверторов на 380 В, скорость изменения напряжения в единицу времени, (dV/dT), может превосходить 7500 вольт за микросекунду, (В/μсек).

Часто существует необходимость разнесения преобразователя частоты (ПЧ) и управляемого им двигателя на большое расстояние друг от друга. Пример: двигатели погружных насосов, установленных в скважинах глубиной более 80 метров, должны управляться с поверхности: чем глубже скважина, тем длиннее кабель между двигателем и ПЧ.

На некоторых предприятиях, двигатели могут работать при тяжелых условиях окружающей среды. Однако, чувствительная электроника ПЧ может не вынести этих условий, что приводит к необходимости увеличения расстояния между центром управления, содержащим ПЧ и двигателем, которым он управляет.

В случае конвейеров и прессов часто имеется только один ПЧ, который управляет несколькими двигателями, размещенными по всей длине конвейера. Длина конвейера часто диктует необходимость больших расстояний между двигателями и ПЧ.

Большинство производителей ПЧ оговаривают максимально допустимое расстояние между двигателем и ПЧ. Максимально допустимые расстояния разнятся у производителей, но все они лежат в пределах 30-80 м.

Многие пользователи ПЧ ставятся перед выбором, или, скорее, вынуждены игнорировать требования к максимально допустимым расстояниям. Такие пользователи, спустя несколько недель или месяцев, эксплуатации двигателя в составе регулируемого электропривода, вынуждены перематывать двигатель, или менять на новый. В некоторых случаях, двигатель может выйти из строя даже при соблюдении требования по расстоянию, но близости его значения к максимально допустимой величине. Естественно, возрастают как затраты на ремонт, так и расходы, вызванные простоем оборудования.

Для решения задач совместимости преобразователей частоты с другим оборудованием существует ряд дополнительных устройств:

Сетевые дроссели (AC-реакторы)

Снижение уровня гармоник может быть достигнуто последовательным включением в цепь питания преобразователя частоты сетевого дросселя. Величина гармоник тока зависит от общего индуктивного сопротивления, состоящего из сетевого дросселя и входного индуктивного сопротивления сети.

Дроссели подбираются по номинальному току и индуктивности. Двумя самых распространенными типами по характеристике индуктивности при использовании в приводной технике, являются 4% и 2% дроссели. Данная характеристика называется «падение напряжения при коротком замыкании» (так же, как и для трансформаторов). Данная характеристика равна процентному значению падения напряжения на обмотках дросселя при номинальном токе и частоте, по отношению к входному напряжению.

Падение напряжения зависит как от резистивной, так и от индуктивной составляющей общего входного импеданса, но для дросселей доминирующем фактором является именно индуктивная составляющая, поскольку величина сопротивления обмоток очень мала, и поэтому, падение напряжения напрямую зависит от индуктивности обмоток на частоте 50 Гц.

Сетевые дроссели можно не использовать, если входное индуктивное сопротивление сети достаточно велико. На практике часто бывает, что параметры сети, к которой подключаются ПЧ, не известны. Поэтому рекомендуется всегда использовать сетевой дроссель, подключенный последовательно с преобразователем.

К дополнительным достоинствам сетевых дросселей можно отнести их способность к подавлению кратковременных колебаний в сети вызванных перезарядами в конденсаторах. Помимо этого сетевые дроссели несколько снижают влияние перекоса фаз питающего напряжения. К недостаткам – их влияние на снижение уровня напряжения на шине постоянного тока.

Дроссели шины постоянного тока (DC-реакторы)

DC-реакторы подключаются последовательно в шину постоянного тока ПЧ. Они как и AC-реакторы хорошо влияют на снижение гармонических колебаний вызванных работой преобразователей.

Фильтры подавления радиопомех (RFI фильтры)

Преобразователи частоты это источники радиопомех. Радиопомехи возникают вследствие переключения IGBT транзисторов выходного каскада с высокой частотой (до десятков кГц). Источниками излучения помех являются кабели, соединяющие ПЧ с двигателями, сами двигатели, а так же  преобразователи частоты. Излучение радиопомех, как правило, может быть уменьшено применением металлических кожухов и экранов.
В случае с кабелями, излучение возникает между фазами, а также между фазами и землей и зачастую одновременно.  Данные высокочастотные колебания проникают и в питающую сеть, что может отрицательно повлиять на работу электронной аппаратуры, которая подключена к этой же сети. Для снижения уровня радиопомех со стороны питания преобразователя частоты, применяются RFI-фильтры (фильтры радиопомех). Многие производители выпускают преобразователи частоты со встроенными RFI-фильтрами.

В некоторых случаях, особенно если в силовых цепях питания электрооборудования присутствуют устройства защитного отключения (УЗО), применение преобразователей частоты с RFI-фильтрами может быть невозможно ввиду того, что через RFI-фильтры есть утечка небольших токов на «землю». Как раз утечку таких небольших токов на землю и контролируют УЗО. Поэтому производители ПЧ почти всегда предусматривают возможность отключения встроенного в преобразователи частоты RFI-фильтра.

Моторные дроссели (дроссели du/dt)

 Данные дроссели предназначены для защиты двигателей от пиков напряжения, возникающих при работе преобразователей частоты. Пики напряжения  – результат работы IGBT транзисторов с высокой частотой (десятки кГц), при этом значение du/dt  может достигать 12кВ/мс (в соответствии со стандартом VDE0530, в зависимости от типа мотора, допустимый  du/dt – 500-1000 В/мс). Величина пульсаций напряжения зависит от несущей частоты преобразователей частоты, длины и типа кабеля. Если расстояние от преобразователя до двигателя превышает 30-60 м рекомендуется применение моторных дросселей. Иначе возможно появление перенапряжения и повреждение двигателя из-за  индуктивности и возможных резонансов на частоте ШИМ в кабеле.

dV/dt дроссели схожи по конструкции с обычными сетевыми дросселями, с тем отличием, что конструкция сердечника выполнена не из обычного трансформаторного железа, а из материала с лучшими характеристиками по магнитной индукции, что позволяет ему перемагничиваться на частотах, близких к частоте несущей ШИМ. Как пример dV/dt дроссели фирмы Schaffner (серия RWK 305) работают на частотах ШИМ 2-12 кГц и обеспечивают снижение скорости нарастания пиков перенапряжения не менее, чем в 5 раз.

Выходные фильтры

Выходные фильтры своей индуктивностью вместе с емкостным сопротивлением кабелей питания двигателей уменьшают емкостные токи заряда/разряда в кабелях питания двигателей, ограничивают градиент напряжения du/dt а также абсолютные значения пиков перенапряжения на клеммах двигателя.  Du/dt фильтры рекомендуется использовать при небольшой длине кабеля двигателя (до 80-100 метров), в противном случае лучше использовать синусные фильтры.

Синус-фильтры (синусные фильтры)

Синусные фильтры представляют собой комбинацию емкостных и индуктивных элементов. Данные фильтры имеют ряд преимуществ перед du/dt дросселями, так как высокая несущая частота преобразователя частоты практически полностью поглощается фильтрами и на выходе получается полностью синусоидальное напряжение, что позволяет значительно увеличивать длину кабельных линий от ПЧ до двигателя и избавиться от использования экранированного кабеля.

Синусный фильтр уменьшает износ и потери в двигателе, а так же снижает его аккустический шум, вызванный гармоническим составом сигнала. Так же установка данного фильтра необходима при наличии трансформатора между преобразователем частоты и двигателем (например, при использовании двухтрансформаторной схемы). 

К недостаткам применения синусных фильтров можно отнести их немалые габариты, большой вес и стоимость, иногда соизмеримую со стоимостью ПЧ. Однако в применениях, где требуется установка ПЧ на значительном удалении от двигателя (150 метров и более) такие затраты оправданы, так как суммарные потери полезной мощности в кабелях могут оказаться значительно дороже.


©2012-2017 НТЦ Энерго-Ресурс