Частотно-регулируемый привод значительно уменьшает потребление электроэнергии, позволяет регулировать скорость и момент на валу асинхронных и синхронных двигателей, синхронных машин на постоянных магнитах, обладает рядом других преимуществ.
Однако, такой электропривод обладает серьезным недостатком. Частотный преобразователь – источник электромагнитных помех. Основным их источником являются блоки быстро переключающихся транзисторов или тиристоров.
В результате большого числа коммутаций в единицу времени возникают паразитные гармоники, которые искажают синусоидальную форму напряжения и тока, снижают коэффициента мощности. Общий коэффициент гармонических искажений обозначается аббревиатурой THD (Total Harmonic Distortion). Искажение напряжения – THUD, тока – THID.
Влияние электромагнитных помех
ЭМП приводят к ассиметричной нагрузке в трехфазных электросетях, перегреву обмоток электродвигателей и трансформаторов, избыточному току нейтрали, искажению радиосигналов, появлению наводок в слаботочных сетях.
Искажения:
- Вызывают ложные срабатывания защитной автоматики.
- Снижают срок службы и межремонтные промежутки электроустановок и оборудования.
- Приводят к авариям и прерыванию технологических процессов.
- Увеличивают погрешность приборов.
Наличие помех также требует установки более мощных электроаппаратов защиты и коммутации, выбор нейтрального проводника большего сечения при проектировании. ЭМП увеличивают стоимость систем электроснабжения, эксплуатационные затраты на оборудование и сеть.
Что такое ЭМС
Требования к качеству электроэнергии в сети, искажениям напряжения и тока питания для различного оборудования, величине помех в радиочастотном диапазоне существенно различаются.
Для обеспечения совместной работы различных электроустановок и других технических средств введено понятие ЭМС. Электромагнитная совместимость отражает способность оборудования функционировать одновременно при наличии помех и не генерировать ЭМП недопустимого уровня, негативно влияющих на работу другой техники.
ЭМС регламентируется директивами и нормами IEC (международной электротехнической комиссией), стандартами Европейского комитета по стандартизации электротехники CENELEC (нормативы EN), Европейского Института по стандартизации телекоммуникаций (нормы ETS). В России и странах ближнего зарубежья руководствуются требованиями Технического регламента Таможенного союза стран ЕАЭС 020/2011, ГОСТ Р 50397-2011.
Способы снижения уровня помех, возникающих при работе преобразователя частоты
Скорость коммутации силовых ключей MOSFET и IGBT в частотных преобразователях очень высока. При работе устройств возникают искажения формы напряжения и тока на входе и выходе, а также помехи в радиочастотном диапазоне.
Для обеспечения ЭМС частотных преобразователей применяют следующие методы:
- Оптимизация структуры и топологии электрических связей транзисторных или тиристорных модулей.
- Совершенствование схем и алгоритмов управления преобразователем.
- Установка встроенных входных и выходных фильтров.
- Применение экранированных кабелей и гальванизированных монтажных панелей.
Уровень электромагнитных помех во многом зависит от технологии производства кристаллов силовых полупроводниковых элементов, электрических связей ключей. Снижение помех достигается совершенствованием элементной базы, введение в конструкцию модуля CAL-диодов, отличающихся плавной характеристикой восстановления.
К недостаткам этого метода относятся высокая стоимость таких силовых ключей, несовершенство полупроводниковых кристаллов.
Еще один способ борьбы с генерацией электромагнитных помех – использование от 12-18-пульсных до 54-пульсных схем, настройка ШИМ-модулятора, управляющего ключами, введение в конструкцию разделительного многообмоточного трансформатора для гальванического разделения цепи входа и инвертора.
Применение многопульсных схем позволяет значительно снизить искажения. Так, THID 6-пульсного преобразователя составляет 60%, 12-пульсного – не более 7%. Однако, стоимость таких преобразователей намного выше. Разделительный трансформатор значительно увеличивает габариты и массу преобразователя частоты. Сфера применения таких устройств – электроприводы выше 1 кВ.
Самый широко применяемый метод для обеспечения ЭМС – встроенные или внешние фильтры. Устройства несколько усложняют конструкцию электропривода, однако, такой способ борьбы с ЭМП обходится дешевле дорогих полупроводниковых элементов и многопульсных схем.
Фильтры электромагнитных помех встраивают во входную цепь и звено постоянного тока преобразователя частоты или подключают перед устройством и электродвигателем. Рассмотрим типы фильтров ЭМП для частотных преобразователей.
Типы фильтров для преобразователей частоты и особенности их применения
Различают пассивные и активные фильтры для борьбы с помехами и обеспечения электромагнитной совместимости преобразователей частоты.
Первые представляют собой дроссели или колебательные контуры, которые встраивают в схему преобразователя или подключают к входу или выходу устройства. Фильтры играют роль двухстороннего буфера между преобразователем и электрической сетью или между частотником и электродвигателем.
Входные внешние фильтры
На входе устройства устанавливают дроссели и импульсные фильтры. Устройства защищают конденсатор в звене постоянного тока частотного преобразователя от пробоя, продлевают срок его службы, частично выравнивают нагрузку по фазам, сглаживают искажения с 5 гармоники. Входные пассивные фильтры устанавливают:
- В сетях со значительной нелинейной нагрузкой, в том числе, при подключении нескольких преобразователей частоты к одной линии.
- При асимметрии нагрузки по фазам больше 1,8%.
- При наличии компенсаторов реактивной мощности.
Пассивные входные фильтры эффективны при высоком фоновом искажении, однако, в таких условиях гармоническая составляющая может превысить допустимое для сети и электрооборудования значение. Устройства наиболее эффективны при номинальной нагрузке, при низком коэффициенте мощности потребителей и частичной загрузке, лучше использовать фильтры другого типа.
При питании от генератора, отсутствие или снижение нагрузки может привести к нарастанию напряжения и пробою конденсаторов. В таких сетях необходимо установить коммутационный аппарат для отключения конденсаторов при снижении нагрузки до 20% от номинала.
Выходные внешние фильтры
Для сглаживания паразитных составляющих на выходе преобразователей устанавливают dU/dt или синусовые фильтры. Первые представляют собой «Г» — образный колебательный контур. Фильтры такого типа снижают быстрое нарастание напряжения, электромагнитное излучение в кабеле двигателя, отсекают гармоники выше частоты коммутации. Устройства применяют в приводах со старыми электродвигателями, оборудовании, работающем в повторно-кратковременных режимах, с частыми запусками, остановками и реверсом.
Синусовые фильтры также представляют собой колебательный контур. Резонанс устройства настроен на ½ частоты коммутации транзисторных ключей преобразователя. Синусовые фильтры обеспечивают форму напряжения на выходе преобразователя частоты, приближенную синусоидальной, эффективно подавляют высокочастотные гармоники, снижают нагрев обмоток, акустический шум. Сфера применения устройств –электроприводы на 680 В, оборудование, работающее в повторно-кратковременном режиме.
Активные внешние фильтры
При высоких требованиях к ЭМС, большом количестве нелинейных потребителей, высоких фоновых искажениях, применяют активные фильтры. Устройства представляют собой следящую схему, автоматически определяющие фазу, частоту и амплитуду искажений и генерирующие компенсационное напряжение. Его наложение на паразитные составляющие дает чистую синусоиду.
Активные фильтры можно устанавливать на всю нелинейную нагрузку или на отдельное оборудование. Устройства эффективно подавляют паразитные гармоники во всем частотном диапазоне, повышают коэффициент мощности, исключают резонанс в сетях переменного тока. Оборудование совместимо с батареями конденсаторов, пассивными фильтрами и другими средствами для обеспечения ЭМС. К недостаткам таких фильтров относится высокая цена.
Встроенные фильтры
Большинство производителей частотных преобразователей комплектуют устройства встроенными фильтрами в звене постоянного тока и входной цепи.
Такие решения снижают помехи в радиодиапазоне и уменьшают до приемлемых значений величину искажений на входе и выходе частотника. При высоких требованиях к ЭМС, в сетях с дизельными генераторами, при небольшой мощности питающего трансформатора, дополнительно применяют внешние пассивные и активные фильтры.
Заключение
Обеспечение электромагнитной совместимости частотного преобразователя – комплексная задача. При выборе технических решений руководствуются условиями конкретной сети электроснабжения, видом и параметрами потребителей и другого оборудования на объекте, стандартами и директивами, регламентирующими ЭМС электрооборудования. Исходя из этих критериев, выбирают оптимальное, экономически и технически эффективное решение.
