Вхідні та вихідні фільтри для частотного перетворювача - призначення, принцип дії, підключення, особливості
Частотні перетворювачі, як і багато інших електронні перетворювачі з живленням від мережі змінного струму з частотою 50 Гц, в силу одного лише свого пристрою спотворюють форму струму, що споживається: струм не лінійно залежить від напруги, оскільки випрямляч на вході пристрою стоїть, як правило, звичайний, тобто некерований. Так само і вихідні струм і напруга перетворювача частоти - вони теж відрізняються спотвореною формою, наявністю безлічі гармонік через роботу ШІМ-інвертора.
У результаті, у процесі регулярного живлення статора двигуна таким спотвореним струмом, його ізоляція швидше старіє, підшипники псуються, шум двигуна посилюється, зростає ймовірність теплових та електричних пробоїв обмоток. А для мережі, що живить частотний перетворювач, такий стан справ завжди загрожує наявністю перешкод, які здатні нашкодити іншому устаткуванню, що живиться від цієї мережі.
Для позбавлення від вище описаних проблем, до частотних перетворювачів і двигунів встановлюють додатково вхідні і вихідні фільтри, що рятують від шкідливих факторів і мережу, що живить, і живиться цим частотним перетворювачем двигун.
Вхідні фільтри покликані пригнічувати перешкоди, що генеруються випрямлячем і ШІМ-інвертором перетворювача частоти, захищаючи таким чином мережу, а вихідні фільтри - захищають сам двигун від перешкод генерованих ШІМ-інвертором частотного перетворювача. Вхідні фільтри – це дроселі та ЕМІ-фільтри, а вихідні – це фільтри синфазні, моторні дроселі, синус-фільтри та фільтри dU/dt.
Мережевий дросель
Дросель, що включає між мережею і частотним перетворювачем, - це мережевий дросель, він служить свого роду буфером. Мережевий дросель не пускає від перетворювача частоти в мережу вищі гармоніки (250, 350, 550 Гц і далі), одночасно захищаючи сам перетворювач від стрибків напруги в мережі, струмових кидків під час перехідних процесів в перетворювачі частоти і т. д.
Падіння напруги на такому дроселі становить близько 2%, що оптимально для нормальної роботи дроселя у поєднанні з перетворювачем частоти без функції регенерації електроенергії в момент гальмування двигуна.
Так, мережеві дроселі встановлюють між мережею і перетворювачем частоти за таких умов: за наявності перешкод у мережі (з різних причин); при перекос фаз; при живленні від порівняно потужного (до 10 разів) трансформатора; якщо від джерела живляться кілька перетворювачів частоти; якщо до мережі підключено конденсатори установки КРМ.
Мережевий дросель забезпечує:
• захист перетворювача частоти від стрибків напруги та перекосу фаз;
• захист ланцюгів від великих струмів КЗ у двигуні;
• продовження терміну служби перетворювача частоти.
ЕМІ-фільтр
В силу того, що двигун, що живиться від перетворювача частоти, є по суті змінним навантаженням, його робота пов'язана з неминучою появою в напрузі мережевих високочастотних імпульсів, флуктуацій, що сприяють генерації паразитного електромагнітного випромінювання від силових кабелів, особливо якщо дані кабелі відрізняються. Такі випромінювання можуть пошкодити деякі пристрої, встановлені неподалік.
Для усунення випромінювань, для забезпечення електромагнітної сумісності з чутливими до випромінювань приладами, потрібний фільтр ЕМІ.
Трифазний фільтр електромагнітних випромінювань має придушити перешкоди в діапазоні від 150 кГц до 30 МГц за принципом клітини Фарадея. ЕМІ-фільтр приєднується якомога ближче до входу перетворювача частоти, щоб забезпечити навколишнім приладам надійний захист від усіх перешкод, створюваних ШІМ-інвртором. Іноді ЕМІ-фільтр вже вбудований у перетворювач частоти.
Фільтр dU/dt
Так званий фільтр dU/dt - це трифазний Г-подібний фільтр нижніх частот, що складається з ланцюжків індуктивностей та конденсаторів. Такий фільтр називають моторним дроселем, і часто він може взагалі не мати конденсаторів, а індуктивності при цьому будуть значними. Параметри фільтра такі, що всі перешкоди на частотах вищі за частоту перемикання ключів ШІМ-інвертора частотного перетворювача пригнічуються.
Якщо у складі фільтра є конденсатори, то величина ємності кожного з них знаходиться в межах кількох десятків нанофарад, а величини індуктивності - до кількох сотень мікрогенрі. У результаті цей фільтр знижує пікову напругу та імпульси на клемах трифазного двигуна до 500 В/мкс, що рятує обмотки статора від пробою.
Отже, якщо привід зазнає часті рекуперативні гальмування, спочатку не пристосований для роботи з частотним перетворювачем, фільтр dU/dt між частотним перетворювачем і частотним перетворювачем встановити.
Навіть незважаючи на те, що напруга, що подається на двигун від перетворювача частоти, може мати форму двополярних прямокутних імпульсів, а не форму чистої синусоїди, фільтр dU/dt (зі своїми невеликими ємністю та індуктивністю) так діє на струм, що робить його в обмотках двигуна майже точно синусоїдальний. Важливо розуміти, що якщо використовувати фільтр dU/dt на частоті вище за його номіналу, то фільтр стане відчувати перегрів, тобто принесе зайві втрати.
Синус-фільтр (синусний фільтр)
Синусний фільтр — подоба моторного дроселя або dU/dt-фільтра, проте відмінність полягає в тому, що ємності та індуктивності мають тут великі величини, такі, що частота зрізу становить менше половини частоти комутації ключів ШІМ-інвертора. Таким чином досягається краще згладжування перешкод високих частот, а форма напруги на обмотках двигуна і форма струму в них, виявляється сильно ближче до ідеальної синусоїдальної.
Ємності конденсаторів у синус-фільтрі вимірюються десятками та сотнями мікрофарад, а індуктивності котушок – одиницями та десятками мілігенрі. Тому синусний фільтр відрізняється великим розміром, в порівнянні з габаритами традиційного частотного перетворювача.
Застосування синусного фільтра дозволяє використовувати разом із частотним перетворювачем навіть двигун, спочатку (за специфікацією) не призначений до роботи з частотним перетворювачем через слабкої ізоляції. При цьому не спостерігатиметься ні підвищеного шуму, ні швидкого зносу підшипників, ні перегріву обмоток високочастотними струмами.
З'являється можливість без шкоди використовувати довгий кабель, що з'єднує двигун з перетворювачем частоти, коли вони розташовані далеко один від одного, при цьому виключаються імпульсні відбиття в кабелі, що можуть призвести до втрат у формі тепла в частотному перетворювачі.
Отже, синусний фільтр рекомендується встановлювати в умовах, коли:
• необхідно зменшити шум; якщо двигун має слабку ізоляцію;
• відчуває часті рекуперативні гальмування;
• працює в умовах агресивного середовища; підключений кабелем довжиною понад 150 метрів;
• має працювати довго без обслуговування;
• у процесі роботи двигуна напруга покроково підвищується;
• номінальна робоча напруга двигуна становить 690 вольт.
При цьому слід пам'ятати, що синусний фільтр не можна використовувати з частотою нижче за його паспортний номінал (максимально допустиме відхилення частоти вниз - 20%), так що в налаштуваннях частотного перетворювача необхідно попередньо встановити обмеження частоти знизу. А частоту вище 70 Гц потрібно застосовувати з великою обережністю, і в налаштуваннях перетворювача, якщо це можливо, задати попередньо величини ємності та індуктивності синусного фільтра, що підключається.
Пам'ятайте, що сам фільтр може шуміти і виділяти відчутну кількість тіла, адже на ньому навіть при номінальному навантаженні падає близько 30 вольт, тому слід встановлювати фільтр з дотриманням належних умов охолодження.
Усі дроселі та фільтри необхідно з'єднувати послідовно з двигуном екранованим кабелем по можливості мінімальної довжини. Так, для двигуна потужністю 7,5 кВт максимальна довжина екранованого кабелю має перевищувати 2 метрів.
Синфазний фільтр – сердечник
Синфазні фільтри призначені для придушення високочастотних перешкод. Даний фільтр є диференціальним трансформатором на феритовому кільці (точніше — на овалі), обмотками якого є безпосередньо трифазні дроти, що з'єднують двигун з частотним перетворювачем.
Цей фільтр служить зниження синфазних струмів, породжуваних розрядами в підшипниках мотора. Як наслідок, синфазний фільтр знижує можливі електромагнітні випромінювання від моторного кабелю, особливо якщо цей кабель не екранований. Провід трьох фаз проходять через вікно сердечника, а захисний провід заземлення залишається зовні.
Серце фіксується на кабелі хомутом для захисту від руйнівного впливу вібрації на ферит (під час роботи двигуна феритовий сердечник вібрує). Фільтр найкраще встановлювати на кабель з боку клем перетворювача частоти. Якщо осердя в процесі експлуатації нагрівається більш ніж до 70°C, це говорить про насичення фериту, отже потрібно додати сердечників або укоротити кабель. Декілька паралельних трифазних кабелів краще оснастити кожен - своїм сердечником.
Стаття взята з сайту http://electricalschool.info/spravochnik/eltehustr/1970-vkhodnye-i-vykhodnye-filtry-dlja.html