Входные и выходные фильтры для частотного преобразователя — назначение, принцип действия, подключение, особенности

Частотные преобразователи, как и многие другие электронные преобразователи с питанием от сети переменного тока с частотой 50 Гц, в силу одного лишь своего устройства искажают форму потребляемого тока: ток не линейно зависит от напряжения, поскольку выпрямитель на входе устройства стоит, как правило, обычный, то есть неуправляемый. Так же и выходные ток и напряжение преобразователя частоты — они тоже отличаются искаженной формой, наличием множества гармоник из-за работы ШИМ-инвертора.

В итоге, в процессе регулярного питания статора двигателя таким искаженным током, его изоляция быстрее стареет, подшипники портятся, шум двигателя усиливается, растет вероятность тепловых и электрических пробоев обмоток. А для сети, питающей частотный преобразователь, такое положение дел всегда чревато наличием помех, которые способны навредить другому оборудованию, питающемуся от этой же сети.

Для избавления от выше описанных проблем, к частотным преобразователям и двигателям устанавливают дополнительно входные и выходные фильтры, спасающие от вредных факторов и саму питающую сеть, и питаемый данным частотным преобразователем двигатель.

Входные фильтры призваны подавлять помехи генерируемые выпрямителем и ШИМ-инвертором преобразователя частоты, защищая таким образом сеть, а выходные фильтры — защищают сам двигатель от помех генерируемых ШИМ-инвертором частотного преобразователя. Входные фильтры — это дроссели и ЭМИ-фильтры, а выходные — это фильтры синфазные, моторные дроссели, синус-фильтры и фильтры dU/dt.

Дроссель, включаемый между сетью и частотным преобразователем, — это сетевой дроссель, он служит своего рода буфером. Сетевой дроссель не пускает от преобразователя частоты в сеть высшие гармоники (250, 350, 550 Гц и далее), одновременно защищая сам преобразователь от скачков напряжения в сети, от токовых бросков во время переходных процессов в преобразователе частоты и т. д.

Падение напряжения на таком дросселе составляет порядка 2%, что оптимально для нормальной работы дросселя в сочетании с преобразователем частоты без функции регенерации электроэнергии в момент торможения двигателя.

Так, сетевые дроссели устанавливают между сетью и преобразователем частоты при следующих условиях: при наличии помех в сети (по разным причинам); при перекосе фаз; при питании от сравнительно мощного (до 10 раз) трансформатора; если от одного источника питаются несколько преобразователей частоты; если к сети подключены конденсаторы установки КРМ.

Сетевой дроссель обеспечивает:

защиту преобразователя частоты от скачков сетевого напряжения и перекоса фаз;

защиту цепей от больших токов КЗ в двигателе;

продление срока службы преобразователя частоты.

В силу того, что двигатель, питаемый от преобразователя частоты, является по сути переменной нагрузкой, его работа связана с неминуемым появлением в сетевом напряжении высокочастотных импульсов, флуктуаций, способствующих генерации паразитного электромагнитного излучения от силовых кабелей, особенно если данные кабели отличаются значительной протяженностью. Такие излучения могут повредить некоторые приборы, установленные неподалеку.

Для устранения излучений, для обеспечения электромагнитной совместимости с чувствительными к излучениям приборами, как раз и необходим фильтр ЭМИ.

Трехфазный фильтр электромагнитных излучений призван подавить помехи в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц по принципу клетки Фарадея. ЭМИ-фильтр присоединяется по возможности как можно ближе к входу преобразователя частоты, чтобы обеспечить окружающим приборам надежную защиту от всех помех, создаваемых ШИМ-инвртором. Иногда ЭМИ-фильтр уже встроен в преобразователь частоты.

Так называемый фильтр dU/dt — это трехфазный Г-образный фильтр нижних частот, состоящий из цепочек индуктивностей и конденсаторов. Такой фильтр еще называют моторным дросселем, и часто он может вообще не иметь конденсаторов, а индуктивности при этом будут значительными. Параметры фильтра таковы, что все помехи на частотах выше частоты переключения ключей ШИМ-инвертора частотного преобразователя подавляются.

Если в составе фильтра имеются конденсаторы, то величина емкости каждого из них находится в пределах нескольких десятков нанофарад, а величины индуктивностей — до нескольких сотен микрогенри. В итоге данный фильтр понижает пиковое напряжение и импульсы на клеммах трехфазного двигателя до 500 В/мкс, что спасает обмотки статора от пробоя.

Итак, если привод испытывает частые рекуперативные торможения, изначально не приспособлен для работы с частотным преобразователем, имеет низкий класс изоляции или короткий моторный кабель, установлен в агрессивной рабочей среде или используется при напряжении 690 вольт, — фильтр dU/dt между частотным преобразователем и двигателем рекомендуется установить.

Даже несмотря на то, что напряжение, подаваемое на двигатель от преобразователя частоты, может иметь форму двуполярных прямоугольных импульсов, а не форму чистой синусоиды, фильтр dU/dt (со своими небольшими емкостью и индуктивностью) так действует на ток, что делает его в обмотках двигателя почти точно синусоидальным. Важно понимать, что если использовать фильтр dU/dt на частоте выше его номинала, то фильтр станет испытывать перегрев, то есть принесет лишние потери.

Синус-фильтр (синусный фильтр)

Синусный фильтр — подобие моторного дросселя или dU/dt-фильтра, отличие однако заключается в том, что емкости и индуктивности имеют здесь большие величины, такие, что частота среза составляет менее половины частоты коммутации ключей ШИМ-инвертора. Таким образом достигается лучшее сглаживание помех высоких частот, а форма напряжения на обмотках двигателя и форма тока в них, оказывается сильно ближе к идеальной синусоидальной.

Емкости конденсаторов в синус-фильтре измеряются десятками и сотнями микрофарад, а индуктивности катушек — единицами и десятками миллигенри. Синусный фильтр отличается поэтому крупным размером, по сравнению с габаритами традиционного частотного преобразователя.

Применение синусного фильтра позволяет использовать совместно с частотным преобразователем даже двигатель, изначально (по спецификации) не предназначенный для работы с частотным преобразователем по причине слабой изоляции. При этом не будет наблюдаться ни повышенного шума, ни быстрого износа подшипников, ни перегрева обмоток высокочастотными токами.

Появляется возможность без вреда использовать длинный кабель, соединяющий двигатель с преобразователем частоты, когда они расположены далеко друг от друга, при этом исключаются импульсные отражения в кабеле, могущие привести к потерям в форме тепла в преобразователе частоты.

Итак, синусный фильтр рекомендуется устанавливать в условиях, когда:

необходимо снизить шум; если двигатель имеет слабую изоляцию;

испытывает частые рекуперативные торможения;

работает в условиях агрессивной среды; подключен кабелем длиной более 150 метров;

должен работать долго без обслуживания;

в процессе работы двигателя напряжение пошагово повышается;

номинальное рабочее напряжение двигателя составляет 690 вольт.

При этом следует помнить, что синусный фильтр нельзя использовать с частотой ниже его паспортного номинала (максимально допустимое отклонение частоты вниз — 20%), так что в настройках частотного преобразователя необходимо предварительно задать ограничение частоты снизу. А частоту выше 70 Гц нужно применять с большой осторожностью, и в настройках преобразователя, если это возможно, задать предварительно величины емкости и индуктивности подключаемого синусного фильтра.

Помните, что сам фильтр может шуметь и выделять ощутимое количество тела, ведь на нем даже при номинальной нагрузке падает порядка 30 вольт, поэтому фильтр следует устанавливать с соблюдением надлежащих условий охлаждения.

Все дроссели и фильтры необходимо соединять последовательно с двигателем экранированным кабелем по возможности минимальной длины. Так, для двигателя мощностью 7,5 кВт максимальная длина экранированного кабеля не должна превышать 2 метров.

Синфазный фильтр — сердечник

Синфазные фильтры предназначены для подавления высокочастотных помех. Данный фильтр представляют собой дифференциальный трансформатор на ферритовом кольце (точнее — на овале), обмотками которого являются непосредственно трехфазные провода, соединяющие двигатель с частотным преобразователем.

Данный фильтр служит для снижения синфазных токов, порождаемых разрядами в подшипниках мотора. Как следствие, синфазный фильтр снижает возможные электромагнитные излучения от моторного кабеля, особенно если кабель этот не экранированный. Провода трех фаз проходят через окно сердечника, а защитный провод заземления остается снаружи.

Сердечник фиксируется на кабеле хомутом для защиты от разрушительного воздействия вибрации на феррит (во время работы двигателя ферритовый сердечник вибрирует). Фильтр лучше всего устанавливать на кабель со стороны клемм преобразователя частоты. Если сердечник в процессе эксплуатации нагревается более чем до 70°C, то это говорит о насыщении феррита, значит нужно добавить сердечников либо укоротить кабель. Несколько параллельных трехфазных кабелей лучше оснастить каждый — своим сердечником.

Синусный фильтр для преобразователя частоты — конструкция и область применения

В заводских условиях большинство расходования тока идет на приводы, оснастки, насосов, вентиляторов, компрессоров, грузоподъемных блоков. Это оборудование запускается в работу двигателями, уменьшения расхода выходного напряжения. Крупные изготовители мира электротехники делают конструкции, которые преобразовывают частоту. Частотные преобразователи полезные электронные устройства, которые облегчают моменты запуска и эксплуатации двигателей. Преобразователи частоты влияют на мотор

Конструкция преобразователя частоты имеет свои особенности. Напряжение на выходе и ток показывают несинусоидальный вид искажают его, имеют много помех, гармонических значений. Выпрямитель преобразователя частоты выходного напряжения, которые не управляется, расходует ток, подает в сеть питания высшие гармоники.

Инвертор преобразователя частоты образует спектр высоких гармоник с частотой от 150 килогерц до30 мегагерц. Работа обмоток двигателя с искажением тока несинусоидального вида дает образование отрицательных реакций, как пробой электрического выходного напряжения, тепловой пробой изоляционного материала обмоток двигателя, повышения износа изоляции, акустического шума двигателя.

Частотные преобразователи издают помехи в питающей сети, оказывают отрицательное влияние на электрооборудование этой сети. Чтобы ослабить это воздействие на двигатель, используют фильтры разного вида.

Фильтры делят на выходные и входные. Фильтры на входе играют роль подавления отрицательного влияния выпрямителя и инвертора, предназначены удалять помехи, которые создаются частотником и помехами снаружи. Входные фильтры – это дроссели сети, фильтры. Выходные фильтры: фильтры синфазных помех, двигательные дроссели, синус фильтры.

Дроссели в сети

Дроссель сети – это буфер с двумя сторонами между сетью снабжения энергией и преобразователем, делает защиту сети с частотой 250 герц, 350 герц, 550 герц. Моторные дроссели сети делают защиту инвертора от увеличенного напряжения сети и тока при переходе в сети и нагрузке преобразователя, при сильном перепаде напряжения сети, возникающего во время отключения двигателей большой мощности.

Дроссели в сети с определенным падением выходного напряжения служат для применения частотного преобразователя, который не делает регенерацию электрической энергии, освобождается при замедлении двигателя в систему питания. Дроссели сети с определенным напряжением на обмотках 4% служат для работы нескольких инверторов и автоматических трансформаторов с опцией восстановления энергии замедления двигателя в питании системы.

Дроссели сети применяют в случаях:

• Наличие помех в сети механизмов.
• Асимметрия потенциала фаз выше 1,8% от номинала.
• Частотник соединен с сетью малого сопротивления.
• Много инверторов подключено на одну линию.
• В сети есть нелинейные элементы с искажениями.
• В схеме есть конденсаторная батарея, которая увеличивает мощность сети

Достоинства использования сетевых дросселей:

• Защита от импульсов сети.
• Защита от перекосов фазного напряжения.
• Снижение скорости увеличения тока замыкания на выходе.
• Увеличение времени работы конденсатора преобразователя частоты.

Фильтры ЭМИ

Корпус частотного преобразователя с двигателем – нагруженность величины к сети питания. Вместе с индуктивностью силовых кабелей возникают флуктуации частоты тока и потенциала, питания. Это негативно сказывается на эксплуатации разных видов. Фильтры нужны для создания совместимости преобразователя частоты с помехами.

Фильтры с тремя фазами снижают кондуктивные помехи в интервале частот от 150 килогерц до 30 мегагерц. Паразитные токи проходят по фильтру, и не выходят за границы. Устройства попадают под защиту от помех инвертора. Фильтр ЭМИ ставится поближе к входу преобразователя частоты. Иногда его встраивают в корпус частотника. Величина излучений волн зависит от кабелей питания. При установке преобразователя частоты нужно следовать рекомендациям производителя.

Конструктивные особенности и сфера фильтров

Фильтры dU/dt для низких частот, которые состоят из емкостей и дросселей. Индуктивности дросселей и емкостей обеспечивают снижение частот больше коммутации силовых значений преобразователя. Размер индуктивности катушки дросселя dU/dt колеблется до сотен микрогенри, величина емкости dU/dt равна нескольким десяткам нанофарад. С фильтром dU/dt снижается максимальное напряжение на контактах двигателя до 500 вольт/мкс, защищает обмотку мотора от пробоя током.

Фильтрующие элементы dU/dt ставятся ситуациях:

• Прибор с управлением частоты производит рекуперативное замедление.
• Механизм не приспособлен для преобразователя частоты.
• Механизм со старым мотором, малой степенью изоляции, с мотором простого назначения, нестандартный.
• Короткий кабель двигателя, менее 15 м.
• Электромотор смонтирован в агрессивной обстановке или повышенных температурах.
• На электродвигателях общего назначения с напряжением 690 вольт.

Фильтр оснащен небольшими данными емкости и индуктивности, потенциал на обмотках мотора представляет импульсы прямоугольной двухполярной формы, синус на графике отсутствует. Ток мотора имеет форму синусоиды. Фильтры применяются на коммутации частоты менее номинала, надо уходить от применения на коммутационной частоты более номинала, фильтр будет перегреваться. Фильтр называется дросселем мотора. Конструктивной особенностью дросселей моторов является отсутствие емкостей. Обмотки несут большую индуктивность.

Механизм синус-фильтров подобен фильтру dU/dt. Отличие в том, что есть моторные дроссели и емкости с номиналом выше, фильтр LC имеет резонанс меньше 50% от коммутационной частоты. Получается эффект подавления частот высоких и форма синус-фильтра в интервале от сотен микрогенри до десятков микрогенри, величина емкости синус-фильтра от микрофарад до сотен микрофарад. Габариты синус-фильтра большие, как самого частотника.

При использовании синус-фильтров не нужно применять моторы с изоляцией усиленной. Происходит снижение акустического шума от двигателя.

Наибольшая кабельная длина между инвертором и фильтром:

• До мощности 7,5 киловатт – 2 м.
• От мощности 7,5 до 90 киловатт – 5-10 м.
• Выше 90 киловатт – 10-15 метров.

Конструктивные особенности и сфера использования фильтров помех

Фильтр помех – трансформатор с наконечником из феррита, обмотки это фазные провода кабеля. Фильтр снижает токи в моторном подшипнике, снижает излучения от кабеля мотора. 3 фазы идут в кольце. В этом же кольце идет и заземление

Кольца из феррита ставятся на проводах двигателя. При нормальной работе температура колец не будет выше 70 градусов. В качестве длины кабеля двигателя — кабель с жилами формы сектора. Нам нужны только кабели с проводами формы круга

При нескольких кабелях учитывается вся длина. Если двигателей много, на всех ставится комплект колец. Вибрация колец приводит к износу кольца, из-за постоянного трения. Кабель фиксируют специальными хомутами.

Выбор значений элементов синус-фильтра

Чтобы определить величину емкости и индуктивности фильтра надо провести расчет на наибольшей и наименьшей частотах:

• Рассчитываем коэффициент гармонический напряжения на входе для нормальных параметров.
• Подобие при коэффициентах гармоник выходного и входного напряжений.
• Коэффициент передавания фильтра на 1-й гармонике активной нагруженности.
• Интервал напряжения выходного фильтра.

По сопротивлению нагруженности, всей мощности ищут индуктивность и емкость фильтра. Из 2-х режимов выбирают максимальные напряжения выхода на всем интервале регулировки частоты. Далее, выбираем индуктивность и емкость фильтра, контролируем коэффициент гармоник потенциала выхода. Рассчитываем частоту резонанса фильтра. Расчеты делаются на компьютере в Mathcad.

Фильтры синуса на практике

Фильтры синусные поместятся в шкафу. Индуктивность выполняют дросселем на магнитном проводе. Применение реактора в воздухе в шкафу выгоднее, чем с магнитопроводом.

По методике сконструирован фильтр синусный для эксплуатации вместе с интервалом регулировки частоты выхода и с основной частотой инвертора, напряжение 3 кГц при нужном коэффициенте гармоник напряжения выхода не более 5% на интервале регулировки зависимости момента от частоты.

Фильтр-синус BLOCK

Это прибор из емкостей, дросселя, образующих цепочку с частотой резонанса менее, чем у инвертора. Создается хорошее сглаживание синуса тока, снижаются частоты.

С фильтрами BLOCK не нужна специальная изоляция, шумы от мотора и подшипников уменьшаются, снижается нагрев обмоток мотора, можно применять длинные кабели до 500 метров. Фирма BLOCK производит синусные фильтры до 250 киловатт, интервал частот до 150 герц.

Моторные дроссели и фильтры фирмы Skybergtech

Фирма в Чехии Skybergtech производит множество фильтров для инверторов и моторов. Она представляет фильтры А-класса и В-класса в интервале от 150 килогерц до 30 мегагерц с помехоподавлением. Имеются 1-фазные и 3-фазные варианты током от 3 до 2500 ампер на напряжение 12 вольт – 25 киловольт. Для особых случаев есть фильтры до 80 децибел от 0,01 до 1000 мегагерц.

Помехоподавительные фильтры представляются в изделиях фирмы Skybergtech 1-фазной серии SKY1FL и 3-фазной серии SKY3FL. Вид снаружи и характеристика частоты фильтров:

Для эксплуатации с несимметричной нагруженностью компания сделала фильтры SKY4FL. У них 4 катушки расположены на основном сердечнике и дают хорошее подавление помех при сильной разбалансировке нагрузочных фаз. Подсоединяется фильтр по 5-проводной схеме и дает помехоподавление от 30 децибел в интервале от 150 килогерц до 30 мегагерц. Вид снаружи и схема фильтра SKY4FL1600C

Фильтры подавления помех применяются не только для частотников, но и для различных устройств, регуляторов. 1-фазными и 3-фазными дросселями фирма предлагает марки SKY3TLT и SKYTLT. Они не имеют корпуса, вид индуктивной катушки, провод которой намотан на сердечнике Ш-образном.

Дроссели на постоянный ток фирма выставила также свою серию приборов. Инженеры имеют опыт применения магнитных материалов, делают дроссели для постоянного тока, с малыми габаритами и весом.

Для моторов фирма предлагает отдельную серию, у которой потери всего 2%. В нее входят 3-фазные на 230-400 вольт, 3-800 ампер. У малой длины кабеля и малой частоте прибора моторным дросселем берут фильтр du/dt. Фирма представила марку отдельную на 1200 ампер, 690 вольт. Ее можно применять с частотниками и с преобразователями напряжения, на основе разработок новейших технологий в сфере электротехники для производств.