ООО «Айтекс Компонент» ПН-ПТ с 09:00 до 19:00 (мск)

Фильтры и дроссели компании Skybergtech

Скачать вёрстку статьи в формате PDF >>

 

Авторы: Виталий Хаймин, Елена Бахарь

filtr@sin3.ru

Современная тенденция построения систем электроприводов подразумевает обязательное  использование преобразователя частоты вращения электродвигателя. Преобразователи частоты (ПЧ) позволяют решить целый ряд проблем, таких как регулирование частоты вращения, управление моментом вращения двигателя, снижение динамических ударов, позиционирование  привода, изменение режимов работы под управлением внешнего контроллера. Благодаря ПЧ появилась возможность создания совершенно новых систем приводов, которые были ранее невозможны. Кроме всего прочего, использование ПЧ позволяет значительно повысить надежность работы электродвигателя, а также поднять КПД всей системы в целом.

Благодаря снижению стоимости электронных комплектующих появилась возможность устанавливать ПЧ  практически на любой электродвигатель. Статистика говорит, что продажи регулируемых электроприводов каждый год растут примерно на 6%. В целом использование ПЧ - это огромный рывок в развитии электроприводов. Но, как это часто бывает, новые решения приносят и новые проблемы. Все современные ПЧ работают  по принципу создания коротких прямоугольных импульсов напряжения. Поскольку электродвигатель - это в том числе большая катушка индуктивности, то в момент прерывания импульса возникают высоковольтные броски напряжения. Так трехфазный двигатель 400 VAC мощностью 1 кВт при прямом подключении к ПЧ создает  броски напряжения до 3 кВ. А если двигатель подключен к преобразователю длинным кабелем, то из-за волновых процессов импульс может быть еще больше. Старый электродвигатель просто будет выведен из строя по причине пробоя изоляции.  Кроме всего прочего прямоугольные импульсы тока создают электромагнитные помехи в широком диапазоне частот. Длинный кабель играет роль антенны и получается отличный радиопередатчик.  Наиболее эффективным путем решения этих проблем  является установка фильтров, ограничивающих скорость нарастания напряжения и гасящих ЭМП.

Рассмотрим виды фильтров устанавливаемых в управляемые электроприводы.

Виды фильтров и дросселей в системе регулируемого электропривода

Рис. 1. Виды фильтров и дросселей в системе регулируемого электропривода

Стандартно система электропривода состоит из модуля выпрямителя, полупроводниковых ключей, системы управления и собственно электродвигателя (ЭД). На входе системы крайне желательна установка сетевого помехоподавляющего фильтра. Его назначение – не пропустить ВЧ-помехи как от питающей сети к преобразователю частоты, так и обратно в сеть.

За входным фильтром устанавливается сетевой дроссель. Его основное назначение -  защита элементов преобразователя от импульсных всплесков напряжения в сети. Как видно из рисунка 2, установка сетевого дросселя резко снижает броски тока, возникающие при открытии диодов выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку, а также увеличивает срок службы самого конденсатора. Еще один плюс установки такого дросселя – уменьшение скорости нарастания токов при КЗ в выходных цепях ПЧ.

 

 

Броски тока, возникающие при работе диодного выпрямителя

Рис. 2. Броски тока, возникающие при работе диодного выпрямителя.

Трехфазный выпрямитель создает  5, 7, 11, 13.. гармоники.

Однофазный выпрямитель создает 3, 5, 7, 9, …. гармоники.

Также установка сетевого дросселя улучшает коэффициент мощности системы, что дает экономию энергии и снижение нагрузки на элементы ПЧ. Еще один важный эффект от установки сетевого дросселя – это эффект выравнивания перекоса фаз питающего напряжения.

После выпрямителя рекомендуется устанавливать дроссель постоянного тока.  Он выполняет ту же роль, что и сетевой дроссель, но не выравнивает перекос фаз. Тем не менее его установка желательна, так как способствует снижению скорости нарастания тока КЗ и увеличивает срок службы остальных элементов ПЧ.

Перейдем к выходным фильтрам ПЧ. Как правило, основная причина установки таких фильтров – это защита ПЧ и двигателя от повреждения высоким импульсным напряжением.  На выходе преобразователя частоты скорость нарастания напряжения может доходить до 10кВ/мкс. Однако изоляция современных электродвигателей рассчитана на dU/dt не более 1кВ/мкс. Крутой фронт импульса способен создать  стоячие волны в кабеле, соединяющий электродвигатель и ПЧ. Уже при длине всего 10 метров из-за эффекта стоячей волны напряжение на электродвигателе может вырасти в несколько раз. Дополнительно следует отметить генерацию  помех, подшипникового тока и повышенного акустического шума, а также потери мощности. Для решения всех этих проблем используют моторные дроссели или синусные фильтры.

Выбор выходного фильтра в зависимости от вида и длины кабеля

Рис.3. Выбор выходного фильтра в зависимости от вида и длины кабеля

В зависимости от длины кабеля и наличия у него экрана следует выбирать либо моторный дроссель, либо синусный фильтр (рис. 3) . При этом надо понимать, что моторный  дроссель не способен сделать идеальную синусоиду, но, тем не менее, он эффективно уменьшает скорость нарастания выходного напряжения. Использование моторного дросселя защищает двигатель от перенапряжения, подавляет ЭМ помехи, снижает уровень акустического шума. При небольшой длине кабеля он оказывается даже предпочтительнее синус–фильтра  из-за меньшего уровня потерь, вносимых  в цепь, и меньшей стоимости.

Сравнение моторного дросселя и синус-фильтра

Рис. 4. Сравнение моторного дросселя и синус фильтра.

Но при большой длине кабеля или при повышенных требованиях к уровню помех синус-фильтр оказывается незаменим.  Обычно синус фильтр снижает коэффициент гармоник до уровня ниже 5%, то есть двигатель питается практически чистой синусоидой (рис. 4). Во многих случаях применение синус-фильтра позволяет отказаться от применения дорогостоящего экранированного кабеля. Отсутствие перенапряжения на обмотке  двигателя, снижение подшипникового тока, уменьшение потерь и акустического шума - это далеко не все эффекты от применения синус-фильтра. Правильно подобранный синус-фильтр способен продлить срок безаварийной эксплуатации электродвигателя в несколько раз.

Чешская компания Skybergtech, основанная в 1992 году, занимается производством полного спектра фильтров для защиты ПЧ и двигателей. Компания  предлагает фильтры Класса A (EN 55011) и  Класса B (EN 55011, 22) с подавлением помех в диапазоне от  150 кГц до 30 Мгц. В предложении имеются одно и трехфазные фильтры на ток от 3 до 2500 А и напряжением от 12В до 25 кВ. Для особо критичных случаев компания выпускает фильтры с подавлением помех до 80дБ в диапазоне частот 0,01-1000МГц.

Сетевые помехоподавляющие фильтры представлены в продукции компании Skybergtech  однофазной серией SKY1FL  и трехфазной серией SKY3FL. В обеих сериях доступны варианты для токов от 3 до 2500 А.

SKY1FL

Рис.5. Внешний вид и АЧХ однофазного помехоподавляющего фильтра SKY1FL2500B на ток 2500А.

Специально для работы с несимметричной нагрузкой компания разработала линейку фильтров SKY4FL. У этих фильтров четыре катушки располагаются на общем сердечнике и обеспечивают эффективное подавление помех даже в случае глубокой разбалансировки фаз нагрузки. Фильтр подключается по пятипроводной схеме и обеспечивает подавление помех не менее 30дБ в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц.

Внешний вид и принципиальная схема помехоподавляющего  фильтра серии SKY4FL1600C Внешний вид и принципиальная схема помехоподавляющего  фильтра серии SKY4FL1600C

Рис.6. Внешний вид и принципиальная схема помехоподавляющего  фильтра серии SKY4FL1600C

Помехоподавляющие сетевые фильтры используются не только для частотных преобразователей, но и для других устройств, например, тиристорных регуляторов, устройств плавного пуска,  источников питания, инверторов и т.д.

В качестве однофазных и трехфазных сетевых дросселей компания предлагает линейки SKY3TLT  и SKYTLT. Конструктивно серия представляет собой бескорпусные катушки индуктивности, намотанные на Ш-образном сердечнике.

SKY3TLT SKYTLT  

 

Рис. 7. Трехфазные сетевые дроссели SKY3TLT Рис.8. Однофазный сетевой дроссель SKYTLT1450-0,05 на ток 1450А.    

Конкретные модели в серии охватывают диапазон параметров:

  • Индуктивность – от 20 мкГн до 10мГн
  • Ток – от 3 до 1450 А
  • Падение напряжения на дросселе, выраженное в процентах от рабочего напряжения от 2 до 9%.

Рабочее напряжение серии 3x230/400 В.

Дроссели постоянного тока компания Skybergtech представляет серией SKYTDC и SKY2TDC для включения в один и два провода соответственно. Благодаря своему опыту и использованию современных магнитных материалов инженеры компании изготавливают дроссели постоянного тока с уникальными весогабаритными характеристиками. Так дроссель SKY2TDC1200-0,045, рассчитанный на ток 1200А при постоянном напряжении 1200В, весит меньше 60 кг. Серийные модели рассчитаны на постоянное напряжение от 330 до 1200В и ток от 7 до 1200А.

Корпусированный дроссель постоянного тока.

Рис. 9. Корпусированный дроссель постоянного тока.

Для подавления помех на выходе преобразователя частоты устанавливают моторные дроссели или синус-фильтры.

В качестве моторных дросселей Skybergtech предлагает использовать подсерию сетевых дросселей SKY3TLT с потерями 2%. В серию входят трехфазные дроссели на напряжение 3x230/400В и токи от 3 до 800А.

Моторный дроссель на 800А

Рис.9. Моторный дроссель на 800А.

При небольшой длине кабеля и низкой частоте преобразователя частоты в качестве моторного дросселя можно использовать фильтр du/dt. Компания предлагает модель SKY3TLDUDT1200 на ток 1200А и напряжение 3х690В, которую можно использовать не только с преобразователями частоты, но и с DC/AC преобразователями напряжения.

При повышенной частоте преобразователя или при длинном кабеле использование синусного фильтра является необходимым условием. Производитель предлагает синусные фильтры серии SKY3FSM на токи от 2,5А до 2500А при напряжении 3х400В и частотой переключения от 5 до 16кГц. Использование синусного фильтра позволяет получить практически идеальную синусоиду без высших гармоник.

Напряжение до синусного фильтра серии SKY3FSM Напряжение после синусного фильтра серии SKY3FSM

Рис.10. Напряжение до и после синусного фильтра серии SKY3FSM.

Фильтры могут иметь различное исполнение, в том числе с радиатором охлаждения и степенью защиты IP67

Внешний вид синусного фильтра SKY3FSM без радиатора охлаждения Внешний вид синусного фильтра SKY3FSM c радиатором охлаждения

Рис. 10. Внешний вид синусного фильтра SKY3FSM без и с радиатором охлаждения

Помимо стандартных фильтров фирма Skybergtech выпускает помехоподавляющие фильтры для специальных приложений, например, фильтры с подавлением помех до 80дБ, фильтры для постоянных напряжений до 25кВ, в том числе фильтры для трамваев, троллейбусов и локомотивов (рис. 13). Также компания Skybergtech изготавливает высокочастотные трансформаторы и фильтры специального назначения. Особое направление деятельности компании – это разработка дросселей и фильтров под спецификацию клиента.

Высоковольтный фильтр для локомотива мощностью 7,5МВт. Напряжение пробоя фильтра 60кВ.

Рис. 11. Высоковольтный фильтр для локомотива мощностью 7,5МВт. Напряжение пробоя фильтра 60кВ.