Электромагнитная совместимость при использовании преобразователей частоты
Обобщенно, силовая часть любого преобразователя частоты (далее ПЧ) состоит из выпрямителя, звена постоянного тока и инвертора (рис.1). Выпрямитель преобразует переменное напряжение питающей сети в постоянное напряжение. Он может быть управляемым или неуправляемым, неуправляемые выпрямители, как правило, преобладают на мощных преобразователях. Для сглаживания выпрямленного напряжения в цепь постоянного тока включена батарея конденсаторов большой емкости. В момент включения ПЧ, конденсаторы шины постоянного тока заряжаются через цепь предварительного заряда (резистор), чем обеспечивается ограничение уровня пускового тока ПЧ. В некоторых преобразователях частоты ток заряда конденсаторов шины постоянного тока ограничивается с помощью управляемого входного моста. К шине постоянного тока ПЧ подключен автономный инвертор напряжения, который преобразует постоянное напряжение в напряжение переменного тока требуемой частоты. С силовых IGBT транзисторов ПЧ на двигатель поступает широтно-модулированное напряжение со скважностью, определяемой заданием на электропривод. Диоды обратного тока транзисторов предохраняют инвертор от воздействия ЭДС самоиндукции, возникающей при коммутации.
Рис.1 Силовая часть преобразователя частоты (сервопривода)
Данная схема формирования выходного напряжения преобразователей частоты посредством широтно-импульсной модуляции является оптимальной, но зачастую влечет за собой потребность в решении некоторых проблем связанных с влиянием преобразователей на питающую сеть, двигатель и другие приборы.
Напряжение питания должно быть идеальной формы синуса с постоянной частотой и амплитудой. Такая нагрузка как шестипульсный выпрямитель генерирует гармоники тока, которые влияют на входное напряжение выпрямителя. В результате происходит отклонение от идеальной формы синуса, что является нежелательным в электрической сети и допустимо лишь в определенной степени. Влияние гармоник тока можно определить по коэффициенту нелинейных искажений THD (%).
На рисунке ниже приведены примеры линейной и нелинейной (искаженной гармоническими колебаниями) форм синусоид
Рис.2 Формы нормальной и искаженной синусоид напряжения
Особое внимание стоит уделять уровню гармоник при построении многоприводных систем, что позволит избежать потерь в питающих кабелях, нагрева трансформаторов, появлению акустического шума.
Для решения задач совместимости преобразователей частоты с другим оборудованием существует ряд дополнительных устройств, рассмотрим каждое из них поподробнее.
1. Сетевые дроссели (AC-реакторы)
Снижение уровня гармоник может быть достигнуто последовательным включением в цепь питания преобразователя частоты сетевого дросселя. При этом ожидаемое снижение коэффициента THD при установке дросселя представлено на рис.3.
Величина гармоник тока зависит от общего индуктивного сопротивления, состоящего из сетевого дросселя и входного индуктивного сопротивления сети. Сетевые дроссели можно не использовать, если входное индуктивное сопротивление сети достаточно велико. На практике часто бывает, что параметры сети, к которой подключаются индивидуальные приводы, 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. К недостаткам - их влияние на снижение уровня напряжения на шине постоянного тока.
Рис.3 Уровень THD при установке сетевого дросселя
2. 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. Ожидаемое снижение THD при использовании дросселя шины постоянного тока показано на рис.4.
Рис.4 Уровень THD при установке DC-реактора
В отличие от сетевых дросселей, дроссели шины постоянного тока ни как не влияют на снижение кратковременных колебаний в сети, однако они так же не оказывают влияния на снижение напряжения на шине постоянного тока ПЧ.
DC-реакторы, как правило, являются неотъемлемой частью современных ПЧ и входят в базовую комплектацию приводов многих производителей.
3. 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.
4. Дроссели двигателя (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 - 500-1000В/мс). Величина пульсаций напряжения зависит от несущей частоты преобразователей частоты, длины и типа кабеля.
Быстрое время нарастания напряжения характеризуется дополнительными потерями мощности и нежелательным нагревом в кабелях и двигателе, а так же может привести к пробою или ускоренному старению изоляции, особенно это касается старых моделей двигателей, не предназначенных для работы с преобразователями частоты. 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 (рис.5). Du/dt фильтры рекомендуется использовать при небольшой длине кабеля двигателя (до 100-150 метров), в противном случае лучше использовать синусные фильтры.
Рис.5 Эффект при установке du/dt дросселя
5. Синусные фильтры (sin-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). Форму напряжения на выходе преобразователя частоты при установке sin-фильтра можно посмотреть на рис.6.
Риc.6 Форма напряжения на выходе преобразователя частоты
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.
По вопросам эффективного применения данного оборудования в своих задачах, Вы можете отправить нам запрос на Еmail: support@driveka.ru