Фильтры для частотных преобразователей - ЭМИ, du/dt, РЧ, входной, выходной

При всех преимуществах частотных преобразователей, устройства обладают некоторыми недостатками. Cамые значимые из которых:

• генерация паразитных гармоник в сеть;
• отклонение формы напряжения на выходе от синусоидальной;
• наличие радиопомех.

Источник паразитного электромагнитного излучения – транзисторный или тиристорный инвертор. Коммутация электронных ключей индуцирует паразитная ЭДС, которая вызывает появление гармоник на низкой и высокой частоте во входной и выходной цепи преобразователя частоты, а также помех в радиодиапазоне.

Электромагнитное излучение негативно сказывается на качестве электроэнергии, снижает коэффициент мощности, вызывает избыточный нагрев двигателя и шум при работе, сбои в работе чувствительного оборудования.

Для снижения уровня ЭМИ применяют быстро переключаемые транзисторы и тиристоры, многопульсные схемы, усовершенствованные алгоритмы управления ШИМ, но самым действенным способом борьбы с помехами остаются фильтры.

Различают несколько типов устройств для снижения помех, рассмотрим каждый из них подробнее.

Активные фильтры преобразователей частоты

Активные фильтры – наиболее эффективные устройства для борьбы с гармоническими искажениями, вызванными нелинейной нагрузкой, к которой относятся частотные преобразователи.

Принцип действия активных фильтров – непрерывное отслеживание искажений и генерация компенсирующего тока той же амплитуды и формы в противофазе гармоник. Это позволяет полностью исключить балластные токи и компенсировать реактивную мощность.

Устройства обладают следующими преимуществами:

• Высокая скорость реакции. Активные фильтры работают без выраженного запаздывания и подавляют искажения практически мгновенно.
• Могут применяться с любой нелинейной нагрузкой. Устройства подходят не только для частотно-регулируемых приводов, фильтры используются для электросварки, индукционного нагрева, систем освещения с люминесцентными лампами.
• Устраняют явление электрического резонанса. Активное оборудование гасит резкое увеличение амплитуды помех при резонансных явлениях.
• Работают в широком спектре. Устройства позволяют устранять гармоники до 200 порядка.
• Совместимы с другими устройствами подавления помех. Активные фильтры можно применять совместно с входными и выходными устройствами для уменьшения гармонических искажений.

Упрощенная схема активного фильтра представлена на рисунке:

При появлении высших гармоник, устройство обеспечивает подачу несинусоидального напряжения, аналогичное по амплитуды, составу и форме сетевому напряжению, но в противофазе по отношению паразитным гармоникам. При этом результирующий вектор напряжений равен нулю.

Активные фильтры дороже пассивных входных и выходных устройств для подавления помех. Область их применения – сети с автономными генераторами, низким коэффициентом мощности, высоким уровнем искажений по току и напряжению, линии питания чувствительного к качеству электроэнергии оборудованию, высокие требования к ЭМС.

В остальных случаях применяют пассивные входные и выходные фильтры.

Входные фильтры

Входные фильтры представляют собой катушку с высокой индуктивностью или колебательный контур. Устройство служит двусторонним буфером между преобразователем частоты, другой нелинейной нагрузкой и электрической сетью. Оборудование можно применять в цепях преобразователей частоты с функцией возврата электроэнергии в сеть при торможении двигателя в генераторном режиме, а также в ПЧ без такой опции.

Устройства слаживают гармоники 5, 7, 11 порядка, позволяет компенсировать неравномерную нагрузку на фазы. При высоком уровне искажений помехи также возрастают, наибольшую эффектность входные фильтры показывают при THDv не более 10%.

Устройства применяют:

• При большом количестве нелинейной нагрузки, подключенной к сети, в том числе нескольких частотных преобразователей.
• При наличии емкостных компенсаторов реактивной мощности.
• При неравномерной нагрузке на фазы с разницей до 1,8%.

Входной фильтр существенно уменьшает помехи от нелинейной нагрузки в сети, позволяет сгладить броски напряжения во входной цепи, увеличивает срок службы конденсаторов в звене постоянного тока частотного преобразователя.

Выходные фильтры

Выходные фильтры служат для повышения качества выходного напряжения, сглаживания бросков напряжения при пуске, торможении или резкой остановке двигателя. Рассмотрим типы выходных устройств для снижения помех.

Синусовые фильтры

Устройства предоставляют собой «Г»-образный колебательный контур. Частота резонанса емкости и индуктивности элементов составляет менее 50% частоты переключения полупроводниковых ключей инвертора преобразователя. Такие параметры позволяют подавлять высокочастотную паразитную составляющую, скорректировать форму выходного напряжения ближе к синусоидальной.

Область применения синус-фильтров:

• Приводы, работающие в повторно-кратковременном режиме.
• Электрические машины, долго бывшие в эксплуатации.
• Двигатели, работящие при высоких температурах, сложных условиях.

Оборудование также рекомендуется при подключении кабелями более 150, а также для двигателей на номинальное напряжение 690 В. Синусовые фильтры:

• Значительно уменьшают подшипниковые токи.
• Защищают электродвигатели от пиковых напряжений.
• Уменьшают ЭМП от неэкранированных кабелей между двигателем и преобразователем частоты.
• Устраняют акустический шум и снижают нагрев электродвигателя при работе.

К недостаткам устройств относятся значительные габариты, необходимость установки в хорошо вентилируемых местах или обдува, падение напряжения до 30 В.

Фильтры dU/dt

Устройства также представляют собой «Г»-образный колебательный контур, основное отличие от синусового фильтра – отсечка гармоник частоты выше частоты коммутации инвертора. Оборудование имеет существенно меньшие габариты, дешевле синусовых устройств для подавления помех. Фильтры dU/dt уменьшают скорость нарастания напряжения при быстром разгоне и торможении электродвиагателей.

Область применения устройств – электроприводы:

• С электродвигателями, не отвечающими IEC 600034-25, IEC 600034-17.
• Оборудования, работающего в режиме с частыми пусками, реверсами, остановками, а также в агрессивной внешней среде.

Фильтры dU/dt также применяют при длине кабеля от преобразователя до двигателя частоты до 15 м, а также электрических машин на напряжение 690 В. Оборудование значительно продлевает срок службы изоляции двигателей, снижает уровень электромагнитного излучения.

Напряжение на выходе устройства несколько сглаживается за счет индуктивных элементов и приобретает форму, приближенную к синусоиде.

Фильтры синфазных помех

Оборудование представляет собой ферритовое кольцо и действует по принципу дифференциального трансформатора, обмотками которого служат фазные проводники кабеля, соединяющего двигатель и преобразователь частоты. Назначение устройств – уменьшение высокочастотных синфазных токов, разрушающих подшипники, и помех частотой выше 1 MГц.

Фильтры радиопомех

Помехи в радиодиапазоне, вызванные работой частотно-регулируемого привода, могут вызвать сбои в работе чувствительного оборудования, искажать изображение и звук видео- аудиоаппаратуры, сигналы Wi-Fi-роутеров и маршрутизаторов. RFI-фильтры предназначены для снижения помех на радиочастоте, а также частично уменьшают радиопомехи от кабеля выходной цепи преобразователя частоты. Оборудование обычно встраивают в ПЧ.

Сравнительные характеристики выходных фильтров

Параметры	Фильтр dU/dt	Синусоидальный фильтр	Фильтр высокочастотных синфазных помех
Влияние на изоляцию обмоток	Уменьшает износ изоляции при длине кабеля до 150 м путем снижения нарастания напряжения в выходной цепи. Обеспечивает форму напряжения приближенную к синусоидальной.	"Уменьшает износ изоляции, может использоваться с кабелями длиной до 500 м и более обеспечивает чистую синусоидальную форму напряжения."	Не оказывает влияние на изоляцию.
Влияние на токи в подшипниках и потери двигателя	Незначительно уменьшает подшипниковые токи электродвигателей большой мощности.	Снижает подшипниковые токи.	Значительно уменьшает высокочастотные синфазные токи.
Электромагнитное излучение	Устраняет ”дребезг” в кабеле двигателя. Не оказывает влияния на радиопомехи. Не допускает применение кабелей длиной больше указанной в инструкции.	Аналогично фильтрам dU/dt.	Уменьшает высокочастотные шумы частоты от 1 MГц. Не влияет на радиопомехи. Не допускает применение кабелей длиной больше указанной в инструкции.
Длина кабеля от ПЧ до двигателя	"Длина кабелей с сохранением ЭМС: до 100 м для неэкранируемого. до 150 м для экранированного. 100-150 м при применении неэкранируемого кабеля без сохранения ЭМС."	С сохранением электромагнитной совместимости – до 150-300 м при использовании экранированного и неэкранированного кабеля. Без сохранения ЭМС 500-1000 м.	С сохранением электромагнитной совместимости 150-300 м при использовании экранированного и неэкранированного кабеля.
Влияние на акустический шум	Не устраняет	Устраняет	Не устраняет

Преимущества входных и выходных пассивных фильтров

Пассивное оборудование для подавления гармоник и снижения помех обладают следующими преимуществами:

• Отсутствием сложного технического обслуживания. Дроссели и емкости не требуют периодической ревизии и сервиса, обслуживание сводится к очистке устройств и проверке подключения.
• Стойкостью к нестабильной величие напряжения сети, искажению тока и напряжения. Устройства не содержат чувствительной электроники и подходят для сетей с низким качеством электроэнергии, в том числе и с автономными генераторами.
• Подходит для модернизации приводов оборудования, уже находящегося в эксплуатации. Фильтры совместимы практически со всеми преобразователями частоты, могут встраиваться уже в работающий привод.

Главное достоинство устройств – цена. Пассивные фильтры гораздо дешевле активных, при приемлемом уровне искажений им чаще всего отдают предпочтение.

Заключение

Фильтры для преобразователей частоты подбирает при проектировании или модернизации электропривода. При этом учитывают:

• Требования к электромагнитной совместимости для зон установки.
• Параметры электрической сети.
• Наличие и тип компенсаторов мощности и автономных генераторов.
• Условия эксплуатации.
• Характеристики частотных преобразователей и электродвигателей.
• Цену фильтров.

Производители преобразователи частоты предлагают большой выбор фильтров для различных двигателей, ПЧ и условий эксплуатации.