Входной и выходной 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.

Устройства обеспечивают:

• 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.

Устройства:

• 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:

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.