Дроссели - необходимые элементы работы приводной системы

Введение

Задача современных приводных систем заключается в обеспечении процесса регулирования скорости вращения в широком диапазоне, а также возможности проведения более «плавного запуска» электромашины. На сегодняшний день самым простым решением данных задач является использование в качестве источника питания инвертора напряжения. Кроме явных преимуществ такого решения и растущей популярности его применения, необходимо также знать и те проблемы, которые могут возникнуть при использовании преобразователей частоты. Эти проблемы связаны с негативным влиянием инверторов на питающую сеть (высшие гармоники в токе питания – и, как следствие, рост потребляемой реактивной мощности) и на приводимый в движение двигатель (повышение уровня шума, дополнительные потери, ускорение процесса старения изоляции, эрозия подшипников).

Учитывая широкий спектр проблем, в статье рассматриваются только вопросы, связанные с одновременной работой инвертора и двигателя. Проблемы, а также паразитные явления, возникающие в таких системах, довольно часто недооцениваются. Данная статья позволит читателю оценить и осознать уровень существующих проблем.

На нижеприведенном рисунке показаны все защитные элементы, которые можно условно разделить на входные и выходные. Входные элементы служат для подавления негативного влияния выпрямителя, выходные элементы предназначены для борьбы с проблемами, создаваемыми ШИМ–инвертором. К входным элементам относятся сетевые дроссели и сглаживающие дроссели. К выходным: дроссели du/dt; моторные дроссели; синус-фильтры.

ВХОДНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗАЩИТЫ

1. Сетевые дроссели

Сетевой дроссель является двухсторонним буфером между сетью электроснабжения и преобразователем частоты. Защищает сеть от высших гармоник 5, 7, 11 и т. д. (250Гц, 350 Гц, 550 Гц).

Преимущества применения сетевых дросселей типа ED3N:

• защищает преобразователь частоты от импульсных всплесков напряжения в сети
• защищает преобразователь частоты от перекосов фаз питающего напряжения
• уменьшает скорость нарастания токов короткого замыкания в выходных цепях преобразователя частоты
• повышают срок службы конденсатора в звене постоянного тока

  Рис.2. Форма входного тока преобразователя частоты без дросселя и с сетевым дросселем ED3N.

2. Сглаживающие дроссели

Сглаживающий дроссель ED1W. Выполняет те же функции, что и сетевой дроссель, кроме защиты преобразователя частоты от импульсных всплесков напряжения в сети и от перекосов фаз питающего напряжения.

Преимущества применения сглаживающих дросселей типа ED1W:

• ограничивает пульсации в звене постоянного тока
• уменьшает скорость нарастания токов короткого замыкания в выходных цепях преобразователя частоты
• повышают срок службы конденсатора в звене постоянного тока

  Рис.3. Форма входного тока преобразователя частоты без дросселя и с дросселем ED1W.

ВЫХОДНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗАЩИТЫ

Принцип действия большинства используемых на сегодняшний день преобразователей частоты основан на широтно-импульсной модуляции выходных импульсов напряжения (PWM – Pulse Width Modulation; ШИМ – широтно-импульсная модуляция). Получаемое таким образом напряжение имеет форму последовательности импульсов с очень коротким временем нарастания (высокая крутизна фронта), напряжение не является синусоидальным. Для инвертора это является положительным фактором, поскольку переключение в течение короткого промежутка времени позволяет поддерживать уровень, при котором потери в преобразователе сведены к минимуму. Однако, крутизна нарастания напряжения (du/dt) выходных импульсов, а также возрастающая частота переключения, используемая в инверторах, могут стать причиной возникновения паразитных явлений в кабеле двигателя и непосредственно в самом двигателе. Эти явления существенно влияют на сокращение долговечности двигателя и повышают вероятность аварии приводной системы в целом. Наиболее часто возникающие проблемы:

a) высокая скорость нарастания напряжения (du/dt) – при небольшом расстоянии между инвертором и двигателем, высокая крутизна нарастания выходного напряжения инвертора негативно воздействует на изоляцию кабеля и его обмотку. В современных преобразователях показатели крутизны достигают отметки 10 и даже 12 [кВ/мкс], в то время как в двигателях допустимая крутизна нарастания напряжения не должна превышать 1 [кВ/мкс].

b) перенапряжение на клеммах двигателя – является результатом возникающих волновых явлений, которые иногда называют «Эффектом длинной линии электропередачи», «Эффектом отраженной волны» или «Эффектом стоячей волны». При длине кабеля ок. 10 [м] уже наблюдаются признаки эффекта. Основная коварность этих следующих с высокой частотой импульсов перенапряжения заключается в том, что мотор «убивается» на протяжении длительного времени и часто выход из строя мотора не связывают с питанием его от ШИМ-инвертора. Мотор перематывают или устанавливают новый и все через некоторое время повторяется. Эквивалентную схему кабельной линии электропередачи можно представить в виде последовательного соединения паразитных емкостей и индуктивностей рассеивания кабельной линии:

a) схема приводной системы (инвертор – кабель – двигатель);
b) крутизна нарастания выходного напряжения инвертора;
c) перенапряжение на клеммах двигателя

  Рис.4. Напряжение на обмотке двигателя без дросселя.

  Рис.5. Одиночный импульс выходного напряжения инвертора (верхняя осциллограмма) и напряжение на зажимах мотора (нижняя осциллограмма). Без дросселей. Длина кабеля 211м, частота ШИМ 2 кГц, преобразователь частоты 0,75 кВт, асинхронный двигатель 0,75 кВт, 2820 об/мин

  Рис.6. Напряжение на моторе (верхняя осциллограмма) и ток (нижняя осциллограмма). Без дросселей. Длина кабеля 211м, частота ШИМ 2 кГц, преобразователь частоты 0,75 кВт, асинхронный двигатель 0,75 кВт, 2820 об/мин

Даже при невысокой индуктивности последовательность импульсов напряжения высокой крутизны приводит к возникновению перенапряжения. С увеличением длины кабеля повышается его результирующая индуктивность, а усиливающиеся волновые явления и перенапряжение могут повредить изоляцию двигателя. Величина перенапряжения на обмотках двигателя может достигать величины более 1000В. В то время как допустимое значение перенапряжения для низковольтного двигателя общепромышленного назначения ограничено величиной 1000В; минимальное время нарастания напряжения 2 мкс.

c) дополнительные потери в двигателе и кабеле питания – высшие гармоники напряжения и тока приводят к дополнительным потерям в кабеле питания, сердечнике двигателя и обмотке, особенно в «беличьей клетке» ротора. Это снижает КПД двигателя и приводной системы в целом. Дополнительные потери – это выделяемое тепло. Потери приводят к повышению температуры двигателя и кабеля, ускоряют процесс старения изоляции, значительно сокращая тем самым срок их службы. Надежность системы снижается.

d) экранный, подшипниковый ток и токи утечки на землю –dысокочастотные составляющие схемы замещения асинхронных двигателей и паразитные емкости кабеля питания относятся к тем параметрам, которые практически всегда остаются в стороне, т.е. не учитываются при сетевом питании. Значения этих емкостей находятся в пределах от нескольких до десятка с лишним [нФ] и для потребителей не имеют существенного значения. Проблема появляется только при питании двигателей от ШИМ-инверторов. При высокой частоте переключений результирующее реактивное сопротивление паразитных емкостей кабеля и двигателя уменьшается. Чем меньше значение результирующего реактивного сопротивления, тем большее количество тока проходит через паразитные емкости. Значения паразитного экранного, подшипникового тока и тока утечки на землю суммируются с соответствующей нагрузкой преобразователя (рис.1.a), что в критической ситуации (например, при применении длинных кабелей) может привести к необходимости изменения мощности инвертора и сечения кабеля питания.

e) эмиссия электромагнитных помех – выходной сигнал напряжения ШИМ- инвертора состоит из основной гармоники (Гц), полосы несущей частоты (кГц) и гармоник высшего порядка (МГц), возникающих вследствие быстрого переключения транзисторных ключей. Именно последний диапазон частот отвечает за эмиссию электромагнитных помех. Данные помехи расходятся равномерно во всех направлениях, а кабель двигателя вместе с ШИМ- инвертором является основным источником электромагнитных помех всей системы автоматики машины.

f) создание высокого уровня шума – кроме вышеперечисленных негативных результатов проявления высших гармоник в выходном напряжении инвертора, остается еще проблема шума. Гармоники с более высокой частотой приводят к возникновению свиста и «треска» двигателя, что влияет на комфорт обслуживания приводной системы.

Дроссели du/dt

Эффект действия дросселей du/dt типа ED3Du проявляется в защите изоляции обмоток двигателя от импульсов напряжения большой амплитуды с высокой скоростью нарастания обусловленных особенностью современных ШИМ–инверторов и эффектом «отраженной волны». Дроссели особо эффективны при небольшой длине моторного кабеля и низкой частоте ШИМ и являются тем необходимым минимумом, который должен обеспечить пользователь для надежной работы приводной системы.

Преимущества применения дросселей du/dt типа ED3dU:

• повышение надежности и долговечности двигателя
• ограничение крутизны нарастания напряжения du/dt
• успешное подавление электромагнитных помех в диапазоне частот от 1 до 30МГЦ

  Рис.7. Кривые напряжения перед и за дросселем du/dt типа ED3dU.

  Рис.8. Одиночные импульсы напряжения на выходе инвертора (верхняя осциллограмма) и двигателя (нижняя осциллограмма) . Дроссель du/dt типа ED3dU-2,58/2,1 (2,58мГн, 2,1А) на зажимах инвертора 0,75кВт, 400В, 50Гц; ШИМ 2кГц, длина кабеля 211м

  Рис.9. Напряжение на зажимах двигателя (верхняя осциллограмма) и ток двигателя (нижняя осциллограмма). Дроссель du/dt типа ED3dU-2,58/2,1 (2,58мГн, 2,1А) на зажимах инвертора 0,75кВт, 400В, 50Гц; ШИМ 2кГц, длина кабеля 211м

Моторные дроссели

Моторные дроссели в отличие от дросселей du/dt имеют более высокую индуктивность и поэтому могут работать при большой длине кабеля и большой частоте переключений. Это чаще всего применяемое и успешное устройство, которое защищает двигатель от негативного влияния ШИМ преобразователя частоты.

Преимущества применения моторных дросселей типа ED3S:

• повышение надежности и долговечности мотора
• ограничение крутизны нарастания напряжения du/dt
• успешное подавление электромагнитных помех
• уменьшение амплитуды перенапряжений на клеммах двигателя
• снижение уровня шума двигателя

  Рис.10. Кривые напряжения перед и за моторным дросселем.

  Рис.11. Одиночные импульсы напряжения на выходе инвертора (верхняя осциллограмма) и двигателя (нижняя осциллограмма). Моторный дроссель типа ED3S-22,4/2,1 (22,4 мГн, 2,1А) на зажимах инвертора 0,75кВт, 400В, 50Гц; ШИМ 2кГц, длина кабеля 211м.

  Рис.12. Напряжение (верхняя осциллограмма) и ток двигателя (нижняя осциллограмма). Моторный дроссель типа ED3S-22,4/2,1 (22,4мГн, 2,5А) на зажимах инвертора 0,75кВт, 400В, 50Гц; ШИМ 10кГц, длина кабеля 211м.

Синус-фильтры

Синус-фильтры преобразуют импульсное напряжение ШИМ-инвертора на синусоидальное напряжение, эффективно ограничивают негативное влияние преобразователя частоы на двигатель и кабель питания. Коэффициент искажения THDU выходного напряжения фильтров типа EF3LC меньше 5%, поэтому условия работы двигателей аналогичны тем, что и при сетевом питании. Ток и напряжение являются синусоидальными, а систему в целом отличает электромагнитная совместимость. Дополнительные потери в кабеле и двигателе, а также электромагнитные помехи сведены к минимуму, а систему в целом отличает электромагнитная совместимость. Чаще всего синусоидальные фильтры применяются при длинных кабельных соединениях (позволяя использовать при этом неэкранированный кабель, который намного дешевле) и в приводных системах во взрывоопасных помещениях (поскольку исключают риск возникновения перенапряжения на клеммах двигателя). Наличие фильтров необходимо также в случае параллельной работы сразу нескольких двигателей, приводимых в движение от одного инвертора, а также при модернизации приводных систем старого типа, в которых привод и двигатель не были приспособлены к работе с инвертором.

Преимущества применения синус-фильтров типа EF3LC:

• значимое улучшение качества выходного напряжения (THDu<5%)
• повышение надежности и долговечности мотора
• ограничение крутизны нарастания напряжения и перенапряжений на клеммах двигателя
• возможность применения длинных неэкранированных кабелей, которые намного дешевле
• ограничение экранных, подшипниковых токов и токов утечки на землю
• устранение дополнительных потерь в двигателе и кабеле питания
• снижение уровня шума двигателя

  Рис.13. Блок-схема приводной системы с фильтром EF3LC.

  Рис.14. Напряжение на моторе (верхняя осциллограмма) и ток двигателя (нижняя осциллограмма) на зажимах инвертора синус фильтр. Мотор 0,75кВт, 400В, 50Гц; ШИМ 2кГц, длина кабеля 211м

Табл. 1. Рекомендации по подбору выходных дросселей или синус-фильтров при питании от ШИМ-инверторов, в зависимости от параметров системы и условий работы:

Учитывая частоту переключений, длину кабеля питания между преобразователем и двигателем, а также место установки привода, необходимо выбрать оптимальное решение не только с точки зрения стоимости системы в целом, но и с точки зрения затрат при ее эксплуатации, ее надежности и периода эксплуатации. Очень часто первоначальные затраты позволяют достичь большой экономии в дальнейшем, поскольку всегда можно подсчитать потери в результате возможных аварий и простоя приводимого в действие оборудования. Важно, чтобы уже на этапе проектирования были учтены все факторы, определяющие надлежащую работу, безаварийность и энергосбережение электропривода.

ELHAND TRANSFORMATORY. 2010-09-24