Filtry wejściowe i wyjściowe do przetwornicy częstotliwości — przeznaczenie, zasada działania, podłączenie, charakterystyka

Przetwornice częstotliwości, podobnie jak wiele innych przetwornic elektronicznych zasilanych prądem przemiennym o częstotliwości 50 Hz, tylko poprzez swoje urządzenie zniekształcają kształt pobieranego prądu: prąd nie zależy liniowo od napięcia, gdyż prostownik na wejściu urządzenie jest zwykle konwencjonalne, to znaczy niekontrolowane. Podobnie prąd wyjściowy i napięcie przetwornicy częstotliwości — różnią się również zniekształconą postacią, obecnością wielu harmonicznych z powodu działania falownika PWM.

W rezultacie, w procesie regularnego zasilania stojana silnika tak odkształconym prądem, jego izolacja szybciej się starzeje, łożyska niszczą się, hałas silnika wzrasta, wzrasta prawdopodobieństwo termicznego i elektrycznego uszkodzenia uzwojeń. I do zasilania z sieci przetwornica częstotliwości, taki stan rzeczy jest zawsze obarczony obecnością zakłóceń, które mogą uszkodzić inny sprzęt zasilany z tej samej sieci.

Aby pozbyć się opisanych powyżej problemów, na przetwornicach częstotliwości i silnikach instalowane są dodatkowe filtry wejściowe i wyjściowe, które chronią zarówno samą sieć energetyczną, jak i silnik zasilany z tej przetwornicy częstotliwości przed szkodliwymi czynnikami.

Filtry wejściowe mają za zadanie tłumić szum generowany przez prostownik i falownik PWM przetwornicy częstotliwości, chroniąc w ten sposób sieć, a filtry wyjściowe mają za zadanie chronić sam silnik przed szumem generowanym przez falownik PWM przetwornicy częstotliwości . Filtrami wejściowymi są dławiki i filtry EMI, a filtrami wyjściowymi są filtry trybu wspólnego, dławiki silnikowe, filtry sinusoidalne i filtry dU/dt.

Dławik liniowy

Dławik podłączony między siecią a przetwornicą częstotliwości jest linia przepustnicy, służy jako swego rodzaju bufor. Dławik liniowy nie przepuszcza wyższych harmonicznych (250, 350, 550 Hz i więcej) z przetwornicy do sieci, jednocześnie chroniąc samą przetwornicę przed skokami napięcia w sieci, przed skokami prądu podczas stanów nieustalonych w przetwornicy itp. .n.

Spadek napięcia na takim dławiku wynosi około 2%, co jest wartością optymalną dla normalnej pracy dławika w połączeniu z przetwornicą częstotliwości bez funkcji odzyskiwania energii elektrycznej podczas postoju silnika.

Tak więc dławiki sieciowe są instalowane między siecią a przetwornicą częstotliwości w następujących warunkach: w obecności szumu w sieci (z różnych przyczyn); z nierównowagą faz; przy zasilaniu ze stosunkowo mocnego (do 10 razy) transformatora; jeśli kilka przetwornic częstotliwości jest zasilanych z jednego źródła; czy kondensatory instalacji KRM są podłączone do sieci.

Dławik liniowy zapewnia:

• zabezpieczenie przetwornicy częstotliwości przed przepięciami i asymetrią faz;

• zabezpieczenie obwodów przed dużymi prądami zwarciowymi w silniku;

• wydłużenie żywotności przetwornicy częstotliwości.

filtr EMP

Z uwagi na to, że silnik napędzany przetwornicą częstotliwości jest zasadniczo obciążeniem zmiennym, jego praca wiąże się z nieuniknionym pojawianiem się w napięciu sieciowym impulsów o wysokiej częstotliwości, wahań, które przyczyniają się do generowania pasożytniczego promieniowania elektromagnetycznego z przewodów zasilających , zwłaszcza jeśli są to kable o znacznej długości. Takie promieniowanie może uszkodzić niektóre znajdujące się w pobliżu urządzenia.

Do wyeliminowania promieniowania wymagany jest tylko filtr EMF, aby zapewnić kompatybilność elektromagnetyczną z urządzeniami wrażliwymi na promieniowanie.

Trójfazowy filtr promieniowania elektromagnetycznego przeznaczony jest do tłumienia zakłóceń w zakresie od 150 kHz do 30 MHz zgodnie z zasadą ogniwa Faradaya. Filtr EMI powinien być podłączony jak najbliżej wejścia przetwornicy częstotliwości, aby zapewnić otaczającym urządzeniom niezawodną ochronę przed wszelkimi zakłóceniami PWM. Czasami filtr EMP jest już wbudowany w przetwornicę częstotliwości.

Filtr DU/dt

Tak zwany filtr dU / dt to trójfazowy filtr dolnoprzepustowy w kształcie litery L składający się z obwodów cewek indukcyjnych i kondensatorów. Taki filtr nazywany jest również dławikiem silnikowym i często może w ogóle nie mieć kondensatorów, a indukcyjność będzie znaczna. Parametry filtra są takie, że tłumione są wszystkie zakłócenia przy częstotliwościach powyżej częstotliwości przełączania przełączników falownika PWM przetwornicy częstotliwości.

Jeśli filtr zawiera kondensatory, to wartość pojemności każdego z nich mieści się w granicach kilkudziesięciu nanofaradów, oraz wartości indukcyjności — do kilkuset mikrohenriów. W rezultacie filtr ten zmniejsza napięcie szczytowe i impulsy na zaciskach silnika trójfazowego do 500 V / μs, co chroni uzwojenia stojana przed uszkodzeniem.

Jeśli więc przetwornica często hamuje regeneracyjnie, nie była pierwotnie zaprojektowana do pracy z przetwornicą częstotliwości, ma niską klasę izolacji lub krótki kabel silnika, jest zainstalowana w trudnym środowisku pracy lub jest używana przy napięciu 690 V, dU / dt Filtr jest zalecany pomiędzy przetwornicą częstotliwości a silnikiem.

Chociaż napięcie dostarczane do silnika z przetwornicy częstotliwości może mieć postać bipolarnych impulsów prostokątnych, a nie czystej fali sinusoidalnej, filtr dU/dt (ze swoją małą pojemnością i indukcyjnością) oddziałuje na prąd w taki sposób, że robi w silniku uzwojenia prawie dokładnie sinusoidalny… Ważne jest, aby zrozumieć, że jeśli użyjesz filtra dU / dt przy częstotliwości wyższej niż jego wartość nominalna, filtr się przegrzeje, czyli przyniesie niepotrzebne straty.

Filtr sinusoidalny (filtr sinusoidalny)

Filtr sinusoidalny jest podobny do dławika silnikowego lub filtra dU/dt, ale różnica polega na tym, że tutaj pojemności i indukcyjności są duże, więc częstotliwość odcięcia jest mniejsza niż połowa częstotliwości przełączania przełączników inwerterowych PWM. Uzyskuje się w ten sposób lepsze wygładzenie zakłóceń wysokoczęstotliwościowych, a kształt napięcia na uzwojeniach silnika i prądu w nich płynącego okazuje się znacznie bliższy sinusoidy idealnej.

Pojemności kondensatorów w filtrze sinusoidalnym mierzone są w dziesiątkach i setkach mikrofaradów, a indukcyjność cewek w jednostkach i dziesiątkach milimetrów. Dlatego filtr sinusoidalny jest duży w porównaniu do wymiarów konwencjonalnej przetwornicy częstotliwości.

Zastosowanie filtra sinusoidalnego umożliwia zastosowanie wraz z przetwornicą częstotliwości nawet silnika, który pierwotnie (zgodnie ze specyfikacją) nie był przeznaczony do współpracy z przetwornicą częstotliwości ze względu na słabą izolację. W takim przypadku nie będzie zwiększonego hałasu, szybkiego zużycia łożysk, przegrzania uzwojeń prądami o wysokiej częstotliwości.

Możliwe jest bezpieczne użycie długiego kabla między silnikiem a przetwornicą częstotliwości, gdy są one daleko od siebie, przy jednoczesnym wyeliminowaniu odbić impulsów w kablu, które mogą powodować utratę ciepła w przetwornicy częstotliwości.

Dlatego zaleca się instalowanie filtra sinusoidalnego w warunkach, gdy:

• konieczne jest zmniejszenie hałasu; jeśli silnik ma słabą izolację;

• doświadcza częstego hamowania rekuperacyjnego;

• pracuje w agresywnym środowisku; połączone kablem dłuższym niż 150 metrów;

• powinien działać przez długi czas bez konserwacji;

• podczas pracy silnika napięcie rośnie krok po kroku;

• znamionowe napięcie robocze silnika wynosi 690 woltów.

Należy pamiętać, że filtru sinusoidalnego nie można stosować przy częstotliwości niższej niż jego wartość nominalna (maksymalne dopuszczalne odchylenie częstotliwości w dół wynosi 20%), dlatego w ustawieniach przetwornicy częstotliwości należy ustawić limit częstotliwość poniżej. A częstotliwość powyżej 70 Hz należy stosować bardzo ostrożnie i w ustawieniach przetwornicy, jeśli to możliwe, wstępnie ustawić wartości pojemności i indukcyjności podłączonego filtra sinusoidalnego.

Pamiętaj, że sam filtr może być głośny i emitować zauważalną ilość ciała, ponieważ nawet przy obciążeniu znamionowym spada na niego około 30 woltów, więc filtr musi być instalowany w odpowiednich warunkach chłodzenia.

Wszystkie dławiki i filtry muszą być połączone szeregowo z silnikiem za pomocą jak najkrótszego kabla ekranowanego. Tak więc dla silnika o mocy 7,5 kW maksymalna długość kabla ekranowanego nie powinna przekraczać 2 metrów.

Filtr trybu wspólnego — rdzeń

Filtry trybu wspólnego są przeznaczone do tłumienia szumów o wysokiej częstotliwości. Filtr ten jest transformatorem różnicowym na pierścieniu ferrytowym (dokładniej na owalu), którego uzwojenia są bezpośrednio przewodami trójfazowymi łączącymi silnik z przetwornicą częstotliwości.

Filtr ten służy do redukcji całkowitych prądów generowanych przez wyładowania w łożyskach silnika. W rezultacie filtr trybu wspólnego zmniejsza możliwe emisje elektromagnetyczne z kabla silnika, zwłaszcza jeśli kabel nie jest ekranowany. Przewody trójfazowe przechodzą przez okienko rdzenia, a przewód ochronny pozostaje na zewnątrz.

Rdzeń mocowany jest do kabla za pomocą zacisku w celu ochrony ferrytu przed szkodliwym wpływem drgań na ferryt (rdzeń ferrytowy wibruje podczas pracy silnika). Filtr najlepiej zamontować na kablu po stronie zacisków przetwornicy częstotliwości. Jeśli rdzeń podczas pracy nagrzewa się do ponad 70°C, oznacza to nasycenie ferrytu, co oznacza konieczność dołożenia rdzeni lub skrócenia kabla. Lepiej jest wyposażyć kilka równoległych kabli trójfazowych we własny rdzeń.