ЭМС преобразователей частоты

Частотные преобразователи, как и другая нелинейная нагрузка – источники электромашинных помех. Устройства генерируют паразитные гармоники, которые распространяются по входной и выходной цепи и излучают воздушные помехи.

Для обеспечения бесперебойной работы оборудования введено понятие ЭМС – электромагнитная совместимость. Характеристика показывает уровень излучаемых помех и стойкость устройств к нежелательному излучению и паразитным гармоникам. ЭМС определяет способность электроустановок и другого оборудования работать совместно и не допускать недопустимого уровня помех, ведущих к сбоям в работе и возникновению ненормальных режимов.

Электромагнитной совместимость стандартизируется согласно ТР ЕАЭС 020/2011, ГОСТ Р 50397-2011 для России и стран Евроазиатского Экономического Союза, ETS EN для ЕС.

Негативное влияние помех

Различают 2 вида помех при работе преобразователей частоты – эфирные помехи и нежелательные гармоники в цепях сеть-преобразователь частоты и ПЧ-электродвигатель. Паразитное ЭМИ, распространяемое по проводам, приводит к искажению тока и напряжения. Общепринятое обозначение коэффициентов несинусоидальности – THUD по напряжению и THID по току.

Помехи вызывают:

• Нарушения работы устройств проводной и беспроводной связи, искажение видео, аудио, информационных сигналов.
• Увеличивают тепловые потери в кабелях, трансформаторах, обмотках, емкостных элементах.
• Снижают точность показаний контрольно-измерительных приборов.
• Вызывают акустический шум при работе электродвигателей.

Высокий уровень искажений требует применения кабелей и проводов большего сечения, более мощных аппаратов защиты и коммутации, дополнительно нагружает сеть, увеличивает износ электрической и механической части технологического оборудования, снижает КПД.

Способы снижения помех

При высокой скорости коммутации электронных ключей инвертора ПЧ со звеном постоянного тока, при работе мощных преобразователей с непосредственной связью с сетью возникают высоко- и низкочастотные помехи. Для борьбы с ними применяют несколько методов:

• Применение экранированных кабелей наименьшей возможной длины.
• Использование усовершенствованных полупроводниковых элементов.
• Оптимизация алгоритмов работы широтно-импульсного модулятора.
• Применение многопульсных схем преобразователей частоты.
• Установка активных и пассивных фильтров во входную и выходную цепь.

Для повышения электромагнитной совместимости также применяют встроенные фильтры и комплексные меры.

Применение экранированных кабелей для подключения преобразователя частоты к двигателю – обязательная рекомендация большинства производителей ПЧ по обеспечению ЭМС. Необходимо:

• Использовать проводник с металлическим экраном, покрывающим не менее 80 % поверхности.
• Заземлять экран с обоих концов.
• Применять для соединения этого специальные зажимы для экранированных проводников.

  

Использование кабелей, рекомендованных в инструкции ПЧ марок, соблюдения требований к монтажу позволит снизить уровнь помех и искажений при любых условиях эксплуатации и требований к ЭМС.

Ряд производителей предлагает ПЧ, укомплектованных усовершенствованными модулями IGBT с PEP/CAL диодами. Такие устройства имеют низкий уровень помех и искажений. К недостаткам устройств относят высокую цену.

Применение многопульсных схем также уменьшает искажения синусоидальной формы напряжения. Так стандартный 6-пульсный инвертор имеет коэффициент искажения тока THID до 60%, 12 - пульсный –уже 10-15%, 18-пульсный – не больше 4-7%.

Фильтры для повышения ЭМС

Фильтрация помех и гармонических искажений – самый эффективный и недорогой способ повышения электромагнитной совместимости. Для этого применяют активные фильтры, пассивные входные и выходные устройства.

Активные фильтры подключают параллельно нагрузке по следующей схеме:

Устройства обеспечивают непрерывное измерение амплитуды и фазы искажений, генерируют компенсирующие гармоники в противофазе. В результате результирующий вектор оказывается равным 0, то есть искажения от нагрузки и гармоники, генерируемые активным фильтром, взаимно уничтожаются.

Оборудование также:

• Устраняет несимметричную нагрузку фаз.
• Компенсирует реактивную мощность.
• Снижает коэффициент искажений тока и напряжения THDI и THDU.

Область применения активных фильтров – участки сети с большим количеством нелинейных потребителей, системы электроснабжения с автономными генераторами или низким коэффициентом мощности. Оборудование может работать на несколько электроприводов, совместимо с другими устройствами повышения ЭМС.

Входные пассивные фильтры – устройства для подавления нечетных гармоник 5, 7, 11 порядка. Оборудование состоит из основного индуктивного элемента L0 и двухступенчатой схемы индуктивными элементами L1 и L2 и конденсаторами C1 и C2.

Наибольшую эффективность устройства показывают при полной нагрузке, в этом случае устройства обеспечивают уменьшение искажений тока THDi до 5-10 %. При частичной нагрузке входные фильтры также уменьшают абсолютное значение гармонического тока и существенно уменьшают отрицательное влияние искажений.

Оборудование:

• устойчиво к фоновым искажениям и асимметрии фаз;
• подходит для систем электроснабжением с генератором при использовании разъединителя конденсаторов;
• не требует обслуживания.
• Входные фильтры дешевле активных устройств, при допустимых требованиях ЭМС предпочтительно применять пассивное оборудование. При необходимости можно дополнительно устанавливать фильтры в цепь преобразователь частоты-электродвигатель.

Синусовые фильтры предназначены для снижения помех в выходной цепи. Устройство приставляет собой колебательный контур, выполненный по «Г»- образной схеме.

Оборудование:

• Уменьшает скачки напряжения в двигателе.
• Снижает скорость нарастания напряжения du / dt.
• Уменьшает наводимые помехи от кабеля.
• Снижает уровень акустического шума при работе электродвигателя.
• Уменьшает величину подшипниковых токов.

Устройства продлевают срок службы изоляции, защищают ее от поверхностного пробоя, предотвращают разрушения подшипников.

На рисунке слева показана форма напряжения и тока без синусового фильтра, справа – форма напряжения и тока с выходным устройством фильтрации гармоник.

Фильтр d u / dt предназначены для снижения пиков коммутационных перенапряжений, емкостного тока нагрузки, частичного уменьшения подшипниковых токов электродвигателей большой мощности

Схема устройств аналогичная синусовому оборудованию, отличие – фильтры d u / dt отсекают гармоники частотой ниже частоты переключения инверторных ключей.

Устройства можно применять с длительно бывшими в эксплуатаций электродвигателями, в приводах, работающих при высоких температурах, и в агрессивных средах. Оборудование существенно сглаживает форму напряжения и тока на выходе, уменьшает уровень помех в моторном кабеле.

RFI-фильтры предназначены для подавления помех в радиодиапазоне. Устройства существенно снижают негативное влияние работающего частотно-регулируемого привода на беспроводные устройства связи, видео- аудиоаппаратуру, контрольно-измерительные приборы. RFI-фильтры обычно встраиваются в схему частотного преобразователя.

Заключение

При выборе решения ЭМС для преобразователей частоты учитываются требования к уровню помех и помехоустойчивости оборудования на конкретном объекте и стандарты ЭМС. При проектировании привода также принимают во внимание:

• Особенности системы электроснабжения.
• Характеристики двигателя и частотного преобразователя.
• Зону размещения устройств и оборудования.

Исходя из этих условий, выбирают наиболее эффективное в техническом и экономическом плане решение. Ряд производителей преобразователей частоты и фильтров предлагают услуги расчета устройств для подавления помех.