Электромагнитная совместимость при использовании преобразователей частоты

Эмс частотного преобразователя. гармонические искажения

Параметры электрической сети не всегда соответствуют современным требованиям и существующим нормативным документам. В реальности сеть сильно отличается от идеальной. Влияние всевозможных факторов отражается на качестве электроэнергии.

Из-за несоответствия нормам возникает повышенное или пониженное напряжение, всплеск либо провал напряжения, искажение синусоидальной формы напряжения.

Такие явления отрицательно сказываются на подключенных электропотребителях, нарушают их нормальное функционирование, иногда даже выводят их из строя.

В связи с нарастающим техническим прогрессом, образуется все большая и большая концентрация электрических и электронных компонентов на очень маленькой площади. Поэтому это приводит к увеличению опасности взаимовлияния и связанного с этим нарушения работы оборудования.

Электромагнитное воздействие отрицательно сказывается, преимущественно, на высоких частотах. Это значит, что правильная работа установки возможна только в том случае, когда монтаж соответствует техническим требованиям, то есть выполняются меры предупреждения:

  • заземление,
  • экранирование,
  • фильтрация.

Бесперебойная эксплуатация установки возможна при соблюдении условий: соразмерная минимальная помехозащищенность и ограниченное излучение помех используемых компонентов.

Причины высокочастотных помех

Отчего появляются высокочастотные помехи в установке, работающей лишь с постоянным или с переменным напряжением сети? Все дело в том, что различные формы сигналов имеют свои частотные спектры.

Каждому несинусоидальному сигналу свойственно содержать, помимо своей основной частоты, еще и её кратные производные, которые именуются высшими гармониками.

В общей сложности, чем быстрее меняется амплитуда сигнала, тем выше высокочастотные гармоники этого сигнала.

Это значит, что каждый процесс коммутации приводит к возникновению высокочастотных сигналов, которые становятся причиной помех.

Границы частоты коммутации определяются исходя из расчётных потерь при коммутации, так как их возрастание связано пропорциональной зависимостью с частотой. И не только.

Определенная частота коммутации, время переключения находятся при достижении некоего компромисса между требованиями, установленными для работы, к потерям при коммутации, рассеиванию мощности и соблюдением условий электромагнитной совместимости (ЭМС).

Как уменьшить влияние гармонических помех преобразователей частоты до допустимого уровня? Решения существуют, но их сложность и объём зависят от уровня вносимых частными преобразователями помех. Основным показателем качества электрической энергии значится коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения.

При незначительном увеличении этого коэффициента до 8–10% достаточно установки перед преобразователем частоты линейных дросселей либо дросселей постоянного тока. При этом проводится соответствующий расчёт эффективности от установки фильтрующих аппаратов.

Если же гармонические искажения превышают гораздо больше (более 10%), тогда необходимо тщательно проанализировать распределение энергии высокочастотных гармоник с применением измерителя нелинейных искажений или анализатора качества электроэнергии. Исходя из полученных результатов, принимаются технические решения, направленные на:

  • снижение какой-либо преобладающей гармоники – с использованием пассивных резонансных фильтров;
  • на подавление помех во всем спектре – с применением активных фильтров гармоник.

Влияние помех на приводное оборудование

В промышленности большая часть электропотребления приходится на вентиляторы, насосы, компрессоры, конвейеры и лебёдки, приводы технологических установок.  Механическая часть всего этого хозяйства приводится в действие асинхронными двигателями переменного тока.

Режимное управление работы асинхронных двигателей, включая сокращение потребления ими электроэнергии, осуществляется с помощью специализированных устройств – преобразователей частоты. Польза их заключается в значительном облегчении пусковых режимов и работы непосредственно асинхронных двигателей.

Однако иногда частотные преобразователи оказывают и нежелательное влияние на двигатель.

В виду особенной конструкции преобразователя частоты, его напряжение и ток на выходе имеют форму всплеска с огромным числом помех. Выпрямитель преобразовательного устройства, потребляя нелинейный ток, создаёт высшие гармоники, тем самым загрязняя электрическую сеть. Инвертор частотного преобразователя (ШИМ) – генерирует широкий спектр высокочастотных гармоник.

Электропитание обмоток двигателя таким нестандартным током подчас доводит до теплового и электрического пробоя изоляции обмоток двигателя, износу изоляции, увеличению степени акустических шумов работающего мотора, эрозии подшипников.

Помимо этого, частотные преобразователи источают помехи в электрической сети, что оказывает отрицательное воздействие на остальное электрооборудование, питающееся от этой же электросети.

Для уменьшения неблагоприятного влияния гармонических искажений, создаваемых преобразователем частоты в процессе работы, на электросеть, для двигателя и самого преобразователя частоты используется фильтрация.

Предназначение фильтров ЭМС для частотных преобразователей

Частотный преобразователь создаёт сильные помехи, и их требуется свести к минимуму при комплектации монтаже, установке и эксплуатации электрического привода.

Преобразователи частоты неминуемо создают помехи, они являются основными источниками и виновниками больших скачков напряжения. Для нормальной работы приводной техники это оборачивается такими негативными явлениями, как:

  • избыточная энергия, передающаяся по проводу и называемая наведёнными помехами;
  • воздействие электромагнитных волн, то есть паразитное электромагнитное излучение.

Для всех этих негативных помех соответствует свой высокочастотный диапазон. Радиочастотные помехи также считаются частью электромагнитных помех, влияющих особенно на средства связи. Защитой от помех является фильтрация.

ЭМС-фильтры обеспечивают соблюдение норм по электромагнитной совместимости и защищают от токов утечки, вызванных емкостью проводников. В совокупности с экранированным кабелем двигателя достигается нормальная работа техники.

Выходные ЭМС-фильтры для частотных преобразователей

ЭМС-фильтры делятся на активные и пассивные. И в тех и других присутствуют катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы. Отличие заключается в том, что в активных фильтрах применяются:

  • нелинейные элементы;
  • обратная отрицательная связь, то есть часть выходного сигнала подается на вход усилителя в противофазе.

Помимо этого, разумеется, активным фильтрам требуется питание. А, главное, они намного эффективнее, чем пассивные фильтрующие средства.

Совместное применение преобразователя частоты с сетевым дросселем позволяет достичь большей мощности промежуточных звеньев. Сетевой дроссель сокращает помехи тока, что соответствует нормам ЭМС для сетей.

Фильтр dU/dt

Крутизна выходной характеристики преобразовательного устройства в совокупности с длинным кабелем двигателя зачастую приводит к переходным процессам, способствующим перенапряжению на клеммах агрегата. С помощью установки фильтра dU/dt на выходе преобразователя удается подавить это отклонение, а также сократить токи утечки в моторном кабеле.

Синусные фильтры

По виду синусные фильтры напоминают конструкцию фильтров dU/dt. Отличие заключается только в том, что в них используются дроссели и конденсаторы с большими номинальными параметрами.

Это обеспечивает более эффективный способ борьбы с помехами высоких частот. Габариты синусных фильтров сравнимы с габаритами преобразователя частоты, которому данный фильтр предназначен.

Синусные фильтры дают возможность применять моторные кабели необходимой длины тогда, когда мотор установлен вдали от преобразователя частоты.

Ферритовый фильтр

Ферритовые кольца – это пассивный способ борьбы с синфазными помехами. Когда стоит задуматься о пассивных способах борьбы с помехами? Тогда, когда требуется наличие:

  • любой конструкции, в которой длина проводов как силовых, так и сигнальных большая (от 30–40 см) и при этом нет экранов в виде алюминиевых или карбоновых лучей, экранированного кабеля;
  • длинных слаботочных цепей;
  • мощной передающей аппаратуры (600–800 МВт и более).

Ферритовые кольца фильтра синфазных помех обладают овальной формой для простоты монтажа. Через отверстие в кольце продеваются все три фазные жилы моторного кабеля.

ЭМИ-фильтры

ЭМИ-фильтры являются обязательным элементом для эффективной работы импульсного преобразователя, применяются для уменьшения электромагнитных помех.

Электромагнитная совместимость частотных преобразователей

Электромагнитная совместимость технических средств — это нормальная (с требуемым качеством) работоспособность технического оборудования в реальной окружающей обстановке несмотря на непреднамеренное воздействие электромагнитных помех и способность не создавать недопустимых помех другой технике.

Все модели векторных преобразователей частоты оснащаются сетевыми фильтрами, чем обеспечивается необходимый уровень ЭМС. Фильтры допускается не применять в диапазоне до 30 кВт. Все преобразователи частоты большей мощности снабжаются встроенными фильтрами по умолчанию. Встроенный фильтр даёт возможность доводить до минимума наводки и помехи в электронной технике.

Источник: http://chistotnik.ru/ems-chastotnogo-preobrazovatelya.html

Вопросы электромагнитной совместимости при использовании статических преобразователей частоты

В настоящее время применение преобразователей частоты, а также систем частотного регулирования, созданных на их основе, стало обычным явлением.

Их применяют для регулирования частоты вращения электродвигателей переменного тока, приводящих во вращение различные рабочие механизмы (насосы, вентиляторы, компрессоры и др.).

Основными факторами, способствующими широкому применению частотного регулирования, являются уменьшение потребления электроэнергии и повышение надежности работы электродвигателей, рабочих механизмов, коммутационной и запорно-регулирующей аппаратуры, гидравлических и аэродинамических сетей. Эти и другие положительные эффекты становятся возможными лишь при правильном проектировании, монтаже, наладке систем частотного регулирования, а также обучении эксплуатирующего персонала.

Отдельного внимания заслуживает электромагнитная совместимость преобразователей частоты, под которой понимается, с одной стороны, защищенность преобразователей частоты от внешних электромагнитных помех, а с другой — ограничение величины электромагнитных помех, выделяемых преобразователями в окружающую среду. При этом под окружающей средой под-разумевается близко расположенное оборудование, чувствительное к электромагнитным излучениям, электрический двигатель рабочего механизма, а также электрооборудование, которое получает электроэнергию от тех же шин, что и система частотного регулирования.

Защищенность преобразователей частоты от внешних электромагнитных помех в большинстве общепромышленных установок и установок предприятий коммунального хозяйства оказывается достаточной без применения дополнительных мер. Исключение составляют промышленные установки с мощными источниками СВЧ, радиационного излучения и др.

Более серьезную проблему представляет устранение нежелательного влияния преобразователей частоты на окружающую среду.

Преобразователи частоты представляют собой статические аппараты, содержащие устройства силовой электроники и являющиеся источниками несинусоидальных токов во входных цепях и несинусоидальных напряжений на выходе преобразователя.

Входным устройством преобразователя (здесь и далее рассматриваются двухзвенные преобразователи с автономным инвертором напряжения) в общем случае является выпрямитель, поэтому входной ток оказывается несинусоидальным (что вызывает несинусоидальность напряжения на шинах, от которых преобразователь частоты получает питание).

Выходные параметры преобразователя формируются инвертором, который обеспечивает выходное напряжение необходимой частоты и величины за счет регулирования длительности импульсов высокой частоты (до 20 кГц).

Это означает, что выходное напряжение преобразователя также несинусоидальное, и к тому же в выходных силовых цепях преобразователя протекают токи, содержащие высокочастотные составляющие, оказывающие негативное влияние на приборы и устройства других систем, расположенные в непосредственной близости от преобразователя.

К сожалению, вопросам электромагнитной совместимости не всегда уделяется достаточное внимание. Для оценки негативного влияния преобразователей частоты необходимо принимать во внимание, на какую аппаратуру и каким образом они могут оказывать воздействие.

Влияние входных несинусоидальных токов преобразователей частоты

Несинусоидальные токи преобразователей частоты неизбежно приводят к образованию несинусоидального напряжения в электрической цепи, питающей преобразователь. Следствием этого являются возможные нарушения в работе устройств, получающих питание от тех же шин, что и преобразователь частоты.

Эти нарушения определяются степенью несинусоидальности напряжения и в той или другой степени касаются большинства электротехнических устройств.
В электродвигателях действие высокочастотных составляющих напряжения приводит к снижению КПД за счет увеличения потерь в стали и обмотках двигателя.

Читайте также:  Составление управляющей программы программируемого контроллера

Кроме того, при большом содержании высокочастотных гармоник возможны существенные колебания вращающего момента и скольжения асинхронных машин.

В трансформаторах неизбежным следствием воздействия несинусоидального напряжения является повышение потерь в стали и обмотках, а следовательно, и повышенный нагрев трансформатора. Кроме того, возникает дополнительный шум в работе трансформатора.

Силовые кабели также подвержены дополнительному нагреву вследствие протекания емкостных токов большей величины. В кабелях, которые соединяют выход преобразователя с электродвигателем, к тому же увеличивается вероятность пробоя изоляции из-за повышения скорости нарастания напряжения в импульсах, формируемых инвертором.

Конденсаторы, применяемые в системах электроснабжения для повышения коэффициента мощности, заслуживают особого внимания. Во-первых, наличие высокочастотных составляющих питающего напряжения приводит к увеличению токов конденсаторов.

Во-вторых, при определенных соотношениях емкости конденсаторов при наличии гармонических составляющих напряжения может наступить явление резонанса, следствием которого может быть значительное повышение напряжения, прикладываемого к конденсатору.

Последнее может стать причиной электрического пробоя изоляции.

Устройства коммутации и релейной защиты при воздействии несинусоидальных токов могут изменять время включения или отключения, а моторные реле могут даже изменять направление вращения.

Перечисленные последствия сложно исключить, но можно уменьшить воздействие несинусоидальных токов на работу электроустановок.

Влияние несинусоидального выходного напряжения преобразователя частоты

Несинусоидальное напряжение на выходе преобразователя частоты является причиной ряда негативных последствий в работе устройств, подключенных к выходу преобразователя.

В сетях с напряжением до 1000 В таким устройством обычно является электродвигатель рабочего механизма, а в установках с электродвигателями более 1000 В (при использовании низковольтного преобразователя) — повышающий трансформатор.

Влияние несинусоидального напряжения требует, чтобы электродвигатель или повышающий трансформатор были выбраны с некоторым запасом по мощности, учитывающим увеличение потерь от воздействия высокочастотных составляющих.

Влияние электромагнитных полей, создаваемых преобразователем частоты

Электромагнитные поля, создаваемые высокочастотными составляющими входных и выходных токов преобразователя частоты, являются источниками, которые могут оказывать негативное влияние на работу устройств автоматики, релейной защиты, связи и т. п., расположенных в непосредственной близости (десятки метров) от преобразователя частоты.

Перечисленные негативные последствия применения преобразователей частоты являются объективными явлениями. Вместе с тем они могут быть в существенной степени ослаблены при правильном проектировании систем частотного регулирования и, в частности, при выборе типов и вариантов комплектации преобразователей частоты.

Специалистам известно, что выпускаемые различными фирмами преобразователи частоты делятся на две группы: «неограниченного распространения» и «ограниченного распространения».

Преобразователи частоты «неограниченного распространения» в соответствии с требованиями Международной электротехнической комиссии МЭК 61800-3 [1] могут применяться без ограничений, но при условии, что заказчиком выполнены все требования, содержащиеся в инструкциях по применению данного изделия. Такие преобразователи частоты в странах ЕС маркируются таким товарным знаком:

При использовании преобразователей частоты «ограниченного применения» заказчику предлагается привлечь специализированную фирму для проектирования, монтажа и наладки системы частотного регулирования, чтобы быть гарантированным от нежелательного воздействия высших гармоник на работу оборудования.

Требования к содержанию высших гармоник во входных цепях преобразователей частоты регламентируются различными нормативными документами, в том числе рекомендациями Международной Электротехнической Комиссии [1], разрабатываемыми для национальных комитетов и комиссий, и стандартами на качество электроэнергии, действующими в каждой стране. В России требования к качеству электроэнергии изложены в ГОСТ 13109-97 [2]. Наиболее жесткими требованиями к содержанию высших гармонических отличается аналогичный стандарт США [3].

В настоящее время для уменьшения влияния несинусоидальности токов и напряжений разработан широкий спектр технических решений и устройств и в том числе: –  преобразователи частоты с так называемыми 12 (18, 24 и т. д.

) пульсными входными выпрямителями, существенно снижающими протекание высокочастотных токов во входных цепях преобразователей;  –  преобразователи частоты по технологии «active front end»; –  входные сетевые дроссели; –  разделительные трансформаторы; –  различные выходные фильтры; (на фото) –  фильтры радиопомех и др.  

Указанные в статье негативные явления, связанные с применением преобразователей частоты, не являются секретом для специалистов. Тем не менее требованиям по электромагнитной совместимости уделяется недостаточное внимание из-за стремления заказчиков уменьшить затраты на инжиниринг и оборудование систем частотного регулирования.

Процесс внедрения преобразователей частоты в настоящее время характеризуется непрерывным увеличением установленных мощностей. Особое внимание к вопросам электромагнитной совместимости требуется в установках, где суммарная мощность преобразователей частоты становится соизмеримой с установленной мощностью питающих трансформаторов или генераторов в автономных системах электроснабжения.

Действующие сегодня отечественные ГОСТы предъявляют требования по электромагнитной совместимости, в основном аналогичные требованиям стандартов МЭК. При неизбежном ужесточении контроля за их выполнением актуальность вопросов обеспечения ЭМС будет возрастать.

Литература.1. EN 61800-3, Adjustable Speed Electrical Power Drive Systems — part 3, EMC product standard including specific test (published by CENELEC, Brussels, Belgium and National Standards organizations in EU member countries).2. ГОСТ 13109-97. Совместимость технических средств электромагнитная. «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

3. The release of IEEE Std. 519-1992, «Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems».

Источник: http://stroyprofile.com/archive/1448

Оборудование для электромагнитной совместимости преобразователей частоты

Напряжение ШИМ

ПЧ генерируют на выходе необходимые базовые напряжение и частоту, используя технологию, известную как «Широтно-импульсная модуляция» (ШИМ). Для класса инверторов 380 В, типовое базовое напряжение составляет от 0 до 380 В, а базовая частота изменяется от 0 до 50 Гц.

 В выходной цепи инвертора находятся «переключающие» транзисторы, работающие на высокой скорости и создающие несущую частоту, поверх которой формируются необходимые базовые напряжение и частота.

Принцип этого переключения совершенно аналогичен AM или FM радиопередаче, в которой полезная информация, в виде музыки или речи, передается на радиоприемник на какой-то заданной радиочастоте. Несущая частота, или частота переключения, используемая для ПЧ на базе IGBT, обычно составляет от 1 до 20 кГц.

Время переключения — это время, которое требуется IGBT инвертору на переход из состояния «выключен» (высокое сопротивление) к состоянию «включен» (низкое сопротивление), и наоборот.

Для IGBT последнего поколения, время переключения варьируется в диапазоне от 100 до 200 наносекунд (нсек).

Поскольку эти устройства используются в цепях постоянного тока инвертора напряжением, приблизительно 650 В, для класса инверторов на 380 В, скорость изменения напряжения в единицу времени, (dV/dT), может превосходить 7500 вольт за микросекунду, (В/μсек).

Часто существует необходимость разнесения преобразователя частоты (ПЧ) и управляемого им двигателя на большое расстояние друг от друга. Пример: двигатели погружных насосов, установленных в скважинах глубиной более 80 метров, должны управляться с поверхности: чем глубже скважина, тем длиннее кабель между двигателем и ПЧ.

На некоторых предприятиях, двигатели могут работать при тяжелых условиях окружающей среды. Однако, чувствительная электроника ПЧ может не вынести этих условий, что приводит к необходимости увеличения расстояния между центром управления, содержащим ПЧ и двигателем, которым он управляет.

В случае конвейеров и прессов часто имеется только один ПЧ, который управляет несколькими двигателями, размещенными по всей длине конвейера. Длина конвейера часто диктует необходимость больших расстояний между двигателями и ПЧ.

Большинство производителей ПЧ оговаривают максимально допустимое расстояние между двигателем и ПЧ. Максимально допустимые расстояния разнятся у производителей, но все они лежат в пределах 30-80 м.

Многие пользователи ПЧ ставятся перед выбором, или, скорее, вынуждены игнорировать требования к максимально допустимым расстояниям.

Такие пользователи, спустя несколько недель или месяцев, эксплуатации двигателя в составе регулируемого электропривода, вынуждены перематывать двигатель, или менять на новый.

В некоторых случаях, двигатель может выйти из строя даже при соблюдении требования по расстоянию, но близости его значения к максимально допустимой величине. Естественно, возрастают как затраты на ремонт, так и расходы, вызванные простоем оборудования.

Для решения задач совместимости преобразователей частоты с другим оборудованием существует ряд дополнительных устройств:

Сетевые дроссели (AC-реакторы)

Снижение уровня гармоник может быть достигнуто последовательным включением в цепь питания преобразователя частоты сетевого дросселя. Величина гармоник тока зависит от общего индуктивного сопротивления, состоящего из сетевого дросселя и входного индуктивного сопротивления сети.

Дроссели подбираются по номинальному току и индуктивности. Двумя самых распространенными типами по характеристике индуктивности при использовании в приводной технике, являются 4% и 2% дроссели.

Данная характеристика называется «падение напряжения при коротком замыкании» (так же, как и для трансформаторов).

Данная характеристика равна процентному значению падения напряжения на обмотках дросселя при номинальном токе и частоте, по отношению к входному напряжению.

Падение напряжения зависит как от резистивной, так и от индуктивной составляющей общего входного импеданса, но для дросселей доминирующем фактором является именно индуктивная составляющая, поскольку величина сопротивления обмоток очень мала, и поэтому, падение напряжения напрямую зависит от индуктивности обмоток на частоте 50 Гц.

Сетевые дроссели можно не использовать, если входное индуктивное сопротивление сети достаточно велико. На практике часто бывает, что параметры сети, к которой подключаются ПЧ, не известны. Поэтому рекомендуется всегда использовать сетевой дроссель, подключенный последовательно с преобразователем.

К дополнительным достоинствам сетевых дросселей можно отнести их способность к подавлению кратковременных колебаний в сети вызванных перезарядами в конденсаторах. Помимо этого сетевые дроссели несколько снижают влияние перекоса фаз питающего напряжения. К недостаткам – их влияние на снижение уровня напряжения на шине постоянного тока.

Дроссели шины постоянного тока (DC-реакторы)

DC-реакторы подключаются последовательно в шину постоянного тока ПЧ. Они как и AC-реакторы хорошо влияют на снижение гармонических колебаний вызванных работой преобразователей.

Фильтры электромагнитной совместимости ЭМС -фильтры (фильтры подавления радиопомех – RFI фильтры)

Преобразователи частоты это источники радиопомех. Радиопомехи возникают вследствие переключения IGBT транзисторов выходного каскада с высокой частотой (до десятков кГц). Источниками излучения помех являются кабели, соединяющие ПЧ с двигателями, сами двигатели, а так же  преобразователи частоты.

Излучение радиопомех, как правило, может быть уменьшено применением металлических кожухов и экранов.
В случае с кабелями, излучение возникает между фазами, а также между фазами и землей и зачастую одновременно.

  Данные высокочастотные колебания проникают и в питающую сеть, что может отрицательно повлиять на работу электронной аппаратуры, которая подключена к этой же сети.

Для снижения уровня радиопомех со стороны питания преобразователя частоты, применяются RFI-фильтры (radio-frequency interference filter, фильтры радиопомех, фильтры электромагнитной совместимости ЭМС-фильтры). Многие производители выпускают преобразователи частоты со встроенными фильтрами ЭМС.

В некоторых случаях, особенно если в силовых цепях питания электрооборудования присутствуют устройства защитного отключения (УЗО), применение преобразователей частоты с ЭМС фильтрами может быть невозможно ввиду того, что через ЭМС фильтры есть утечка небольших токов на «землю». Как раз утечку таких небольших токов на землю и контролируют УЗО. Поэтому производители ПЧ почти всегда предусматривают возможность отключения встроенного в преобразователи частоты ЭМС фильтра.

Моторные дроссели (дроссели du/dt)

Данные дроссели предназначены для защиты двигателей от пиков напряжения, возникающих при работе преобразователей частоты.

Пики напряжения  – результат работы IGBT транзисторов с высокой частотой (десятки кГц), при этом значение du/dt  может достигать 12кВ/мс (в соответствии со стандартом VDE0530, в зависимости от типа мотора, допустимый  du/dt – 500-1000 В/мс). Величина пульсаций напряжения зависит от несущей частоты преобразователей частоты, длины и типа кабеля.

Если расстояние от преобразователя до двигателя превышает 30-60 м рекомендуется применение моторных дросселей. Иначе возможно появление перенапряжения и повреждение двигателя из-за  индуктивности и возможных резонансов на частоте ШИМ в кабеле.

dV/dt дроссели схожи по конструкции с обычными сетевыми дросселями, с тем отличием, что конструкция сердечника выполнена не из обычного трансформаторного железа, а из материала с лучшими характеристиками по магнитной индукции, что позволяет ему перемагничиваться на частотах, близких к частоте несущей ШИМ. Как пример dV/dt дроссели фирмы Schaffner (серия RWK 305) работают на частотах ШИМ 2-12 кГц и обеспечивают снижение скорости нарастания пиков перенапряжения не менее, чем в 5 раз.

Читайте также:  Принцип работы узо

Выходные фильтры

Выходные фильтры своей индуктивностью вместе с емкостным сопротивлением кабелей питания двигателей уменьшают емкостные токи заряда/разряда в кабелях питания двигателей, ограничивают градиент напряжения du/dt а также абсолютные значения пиков перенапряжения на клеммах двигателя.  Du/dt фильтры рекомендуется использовать при небольшой длине кабеля двигателя (до 80-100 метров), в противном случае лучше использовать синусные фильтры.

Синус-фильтры (синусные фильтры)

Синусные фильтры представляют собой комбинацию емкостных и индуктивных элементов.

Данные фильтры имеют ряд преимуществ перед du/dt дросселями, так как высокая несущая частота преобразователя частоты практически полностью поглощается фильтрами и на выходе получается полностью синусоидальное напряжение, что позволяет значительно увеличивать длину кабельных линий от ПЧ до двигателя и избавиться от использования экранированного кабеля.

Синусный фильтр уменьшает износ и потери в двигателе, а так же снижает его аккустический шум, вызванный гармоническим составом сигнала. Так же установка данного фильтра необходима при наличии трансформатора между преобразователем частоты и двигателем (например, при использовании двухтрансформаторной схемы). 

К недостаткам применения синусных фильтров можно отнести их немалые габариты, большой вес и стоимость, иногда соизмеримую со стоимостью ПЧ. Однако в применениях, где требуется установка ПЧ на значительном удалении от двигателя (150 метров и более) такие затраты оправданы, так как суммарные потери полезной мощности в кабелях могут оказаться значительно дороже.

Купить фильтры ЭМС

Купить дроссели сетевые

Источник: http://en-res.ru/stati/oborudovanie-dlya-elektromagnitnoj-sovmestimosti-preobrazovatelej-chastoty.html

Электромагнитная совместимость (ЭМС) статических преобразователей электроэнергии

Процесс массового внедрения статических преобразователей электроэнергии остро поставил проблему их электромагнитной совместимости (ЭМС) с другими техническими средствами — такими, например, как средства радиоприема, радиосвязи, беспроводного мониторинга и т. д.

Чуть выше мы кратко обмолвились о том, что плохо спроектированные статические преобразователи однозначно являются источниками значительных электромагнитных помех, излучаемых в широкой полосе частот.

Поэтому, чтобы исключить влияние преобразовательной техники на другие технические средства, необходимо уделить внимание снижению так называемых кондуктивных (распространяемых по проводникам) и излучаемых в пространство помех, тем более, что их допускаемые уровни регламентируются государственными и международными стандартами.

Давайте определим общие принципы локализации источников помех, чтобы следовать им при разработке собственных преобразователей электроэнергии. Этот общий подход может быть сведен к следующим мерам:

а)           подавление источника помехи — осуществляется созданием оптимальной конструкции прибора, уменьшением длины межэлементных связей, сокращением площади заземленных контуров, гальванической развязкой цепей питания;

б)           экранирование — весьма эффективный способ ослабления любых излучений, выполняется путем применения металлических экранов, токопроводящих напылений, заключением в экранирующие оболочки токоведущих проводников;

в)           фильтрация — наиболее часто используемый способ для подавления кондуктивных помех, реализуется путем установки в разрывы токоведущих цепей фильтров подавления высокочастотных гармоник.

При разработке мероприятий по снижению электромагнитных помех очень важно правильно локализовать их источники и связанные с ними параметры: характер распространения помехи, ее длительность и регулярность (периодичность), форму помехи, энергетический спектр, частотную область излучения.

Для статических преобразователей наиболее актуальной является задача борьбы с кондуктивными помехами, то есть такими помехами, которые распространяются по токоведущим проводникам. Эффективная борьба с кондуктивными помехами начинается с их классификации по далее приведенным признакам.

Познакомимся с ними.

По характеру распространения кондуктивные помехи делятся на:

а)           симметричные — напряжение помехи прикладывается между фазным и нейтральным силовыми проводниками;

б)           несимметричные (общего вида) — напряжение помехи прикладывается между фазным (нейтральным) силовым проводником и «землей» (заземляющим проводником).

По длительности и регулярности помехи подразделяются на:

а)           непрерывные (стационарные) — возникающие при продолжительной работе высокочастотных ключевых инверторов;

б)           кратковременные — имеющие нестационарный характер и возникающие в различных переходных режимах, например, при включении или отключении нагрузок;

в)           регулярные — возникающие при переходе статических преобразователей из одного режима работы в другой, например, в режим перегрузки;

г)           случайные — не имеющие отношения к функционированию преобразователя и возникающие под действием случайных внешних факторах, например, при грозовых разрядах.

По форме генерируемой помехи существует следующее деление:

а)           моносинусоидальные — имеющие в своем составе одну гармонику;

б)           полисинусоидальные — имеющие в составе ограниченное число гармоник;

в)           импульсные — обладающие непрерывным гармоническим спектром.

По энергетическому спектру:

а)           узкополосные — обладающие узким спектром с максимумом на частоте основной гармоники преобразования;

б)           широкополосные — имеющие широкий спектр излучения.

По области частот:

а)           низкочастотные — на частотах ниже 9 кГц;

б)           высокочастотные — в полосе частот от 9 до 150 кГц;

в)           радиочастотные — на частотах более 150 кГц.

Обычно при проектировании статических преобразователей рассматривают ряд типовых ситуаций, позволяющих в значительной степени снизить уровень помех. Одной из таких ситуаций является правильная реализация заземления прибора.

Если проводники системы заземления выбраны неправильно, также неверно осуществлено подключение проводника к контуру заземления преобразователя, это может послужить либо дополнительным источником помех, либо свести «на нет» все меры по их снижению, предпринятые посредством установки фильтров.

Традиционный подход к заземлению строится только на необходимости обеспечить электробезопасность при работе с приборами, однако в случае высокочастотной преобразовательной техники контур заземления обеспечивает еще и единый опорный потенциал.

Исключение высокочастотных помех, генерируемых инверторами и наводимых в питающих проводниках — другая немаловажная защита по обеспечению электромагнитной совместимости.

С этой целью на входе статического преобразователя обычно устанавливают сетевой фильтр электромагнитной совместимости (ЭМС), который реализуется на основе каскадного Гили П-образного соединения емкостных и индуктивных элементов.

Конденсаторы, устанавливаемые в фильтрах между фазным проводником и проводником заземление О^-конденсаторы), снижают несимметричные помехи, а конденсаторы, устанавливаемые между фазными проводниками (Х-конденсаторы), снижают помехи симметричного типа.

Кроме этого, в составе фильтров ЭМС часто можно встретитьдроссели (втом числе и многообмоточные), которые включаются в разрыв фазных проводников. Согласное включение дроссельных обмоток приводит к подавлению несимметричных помех, а встречное — симметричных.

Следует обратить внимание разработчиков силовой преобразовательной техники на то, что проектирование фильтров ЭМС — задача достаточно трудоемкая, поэтому имеет смысл применять (где это, конечно, возможно) покупные фильтры, разработанные и серийно поставляемые специализированными фирмами.

Ксчастью, изготовлением и поставкой таких фильтров занято большое количество фирм, поэтому недостатка в выборе подходящего по электрическим параметрам и габаритам изделия не будет. Для справки, с помощью фильтров ЭМС типовых конструктивных исполнений удается снизить помехи почти в 1000 раз вдиапазоне 0,5…10,0 МГц. На более высоких частотах их эффективность падает, поэтому приходится, где такое подавление помех важно, прибегать к более сложным техническим решениям.

Статические преобразователи, как правило, представляют собой существенно нелинейную нагрузку для питающей сети, а это значит, что в питающей сети, как правило, появляются искажения синусоиды напряжения.

Наиболее характерным случаем в трехфазных сетях следует считать появление 5-й и 7-й гармоники тока, поскольку типовые схемы выпрямления сетевого напряжения имеют в своем составе трехфазные мосты (обычно построенные по схеме Ларионова).

С учетом того, что другие потребители сетевого напряжения могут быть не рассчитаны на наличие в сети высокого уровня гармоник, кратных основной, включенный в сеть статический преобразователь будет оказывать на них негативное влияние, которое может привести к авариям.

Именно поэтому действующие стандарты ограничивают величину допустимого значения гармоник на уровне 9 % (в оценочных нормах величина первой гармоники принята за 100 %) для 5-й гармоники и 5,25 % для 7-й гармоники.

Каким образом осуществляется выбор фильтра подавления электромагнитных помех? Подход к этой задаче индивидуален в каждом конкретном случае, но все-таки возможно выделить некоторые общие принципы.

Обычно необходимо учесть электрические характеристики преобразовательных схем, требования по степени подавления помех, частотные характеристики фильтруемых цепей (частоты среза, частоты ослабления и другие характерные параметры), условия эксплуатации и конструктивные ограничения, связанные с возможностью установки того или иного фильтра в прибор.

Наиболее часто встречаются следующие типовые фильтрующие схемы:

а)           фильтр С-типа (рис. 2.4.9, а) — представляет собой стандартный проходной конденсатор, шунтирующий помеху на «землю»; такой фильтр можно применять в случаях, если источник сигнала (в том числе — силовое питание) и нагрузка имеют достаточно высокий импеданс; крутизна спада частотной характеристики такого фильтра составляет 20 дБ/дек;

б)           фильтр Г-типа (рис. 2.4.9, б) — фильтр LC-типа, имеет крутизну спада около 40 дБ/дек, применяется при существенно различающихся импедансах источника сигнала и нагрузки, а именно — при низкоомной нагрузке;

в)           фильтр П-типа (рис. 2.4.9, в) — другой вариант LC-фильтра, представляющий собой комбинацию фильтров С-типа и Г-типа; применяется при наличии примерно равных по величине высоких импедансов источника и нагрузки; крутизна спада частотной характеристики фильтра составляет 60 дБ/дек;

г)           фильтр Т-типа (рис. 2.4.9, г) — применяется в случае низких импедансов источника и нагрузки; крутизна спада характеристики данного фильтра составляет 60 дБ/дек.

Рис. 2.4.9. Типовые схемы фильтров подавления ЭМП

Достаточно часто в схемах преобразовательной техники можно встретить комбинации указанных выше простых фильтров, соединенных каскадно, например, включенные друг за другом два Т-фильтра или два П-фильтра.

Каскадное соединение применяется в случае, если необходимо достичь более эффективного подавления помех в области низких частот диапазона помех, а также получить более высокую крутизну спада частотной характеристики.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Источник: http://nauchebe.net/2013/08/elektromagnitnaya-sovmestimost-ems-staticheskix-preobrazovatelej-elektroenergii/

Преобразователи частоты и фильтры электромагнитной совместимости

Частотники и совместимость – время от времени бурнообсуждаемая тема, а также тема докладов на конференциях.

Стоит привести определение электромагнитной совместимости: «Электромагнитная совместимость технических устройств — одновременное их функционирование в реальных условиях эксплуатации с  необходимым качеством, при влиянии на них спонтанных помех электромагнитной природы и недопущение помех прочим устройствам».

Преобразователи и формируют «спонтанные помехи электромагнитного происхождения». В процессе функционирования, частотники формируют высшие гармоники, воздействующие на функционирование силовых трансформаторов, конденсаторных элементов компенсирующих станций и радиоэлектронных установок, подсоединенных в сеть.

Преобразователи, помимо гармоник формируют и радиопомехи, которые проникают в сеть входа, и излучаются в пространство. 

Рассмотрим высшие гармоники. Для снижения их величины нужно усовершенствовать форму тока, сжигаемого частотником. К таким устройствам можно отнести входные силовые АС – дроссели; пассивный входной фильтр гармоник и фильтр активного типа высших гармоник, относящихся к новейшей группе приборов, повышающих качество электричества по отдельным показателям. 

Читайте также:  Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают

Фильтры гармоник и фильтры активного типа поставляют отдельно и устанавливают возле частотника. В последнее время, фирма Bosch Rexroth приступила к производству преобразователей EFC3610 и EFC5610 со встроенным фильтром. 

Радиопомехы, создаваемые частотником в сеть, снижаются фильтрами (RFI). Следует знать, что различные RFI-фильтры по различному снижают радио помехи. Если к вводу трансформатора подсоединен ваш преобразователь и кроме него нет иных устройств, то на фильтрующий элемент можно не смотреть.

Если же частотник контролируется наружним контроллером, или к вводу трансформатора подсоединены электронные устройства, то лучше приобрести преобразователь с качественным RFI-фильтром. Если же в нем отсутствует такой фильтр, то есть возможность приобрести частотник с фильтром у нас на сайте.

Стационарные и бортовые устройства особого назначения применяют частотники, чтобы создать синусоидальное напряжение, с необходимой частотой и аплитудой. 

Всеми изготовителями частотников советуется пользоваться экранированными проводами управления, экран которых заземляется с обеих сторон. Не советуется заплетание экрана«косичкой», а при помощи скоб следует крепить экран к поверхности заземления. Если нужно скрепить два отрезка экрана, то делайте аналогично, скобами крепящими экран к поверхности заземления. 

Про электромагнитную совместимость можно разговаривать долго и почти ничего не сказать, так как её сложно описать математически и смоделировать.

Как же математическим путем описать обрыв контакта разъемных соединений при значении температуры 45 градусов и влажности 98%, при прохождении тока ниже 1 mА? Вероятно, это не электромагнитная совместимость а что-то иное.

Если вы столкнетесь с проблемами в работе частотников вследствие электромагнитной совместимости или по другой причине – обратитесь к нам в сервисный центр, вероятно, наш многолетний опыт эксплуатации частотников сможет вам помочь.

Источник: https://chastotnik.com.ua/a-preobrazovateli-chastoti-i-filtri-elektromagnitnoy-sovmestimosti

Фильтр ЭлектроМагнитнойСовместимости (ЭМС)

По отношению к питающей сети частотно регулируемый привод (ПЧ+двигатель) является переменной нагрузкой.

В совокупности с индуктивностью силовых кабелей это приводит к возникновению высокочастотных флуктуаций сетевого тока и напряжения и, следовательно, к электромагнитному излучению (ЭМИ) силовых кабелей, что может отрицательно сказаться на работе других электронных приборов.

Фильтры электромагнитных излучений необходимы для обеспечения электромагнитной совместимости при установке преобразователя в местах, критичных к уровню помех питающей электросети.

Трехфазные ЭМС–фильтры (EMC/EMI) существенно уменьшают уровень кондуктивных помех в широком диапазоне частот от 150 кГц до 30МГц. Паразитные токи циркулируют в пределах «клетки Фарадея» через ЭМС–фильтр, не выходя за ее пределы.

В результате защищаются иные устройства, подключенные к этой же сети электроснабжения от влияния электромагнитных помех, источником которых является ШИМ – инвертор преобразователя частоты. ЭМС-фильтр должен устанавливаться как можно ближе к силовому входу ПЧ.

В некоторым случаях ЭМС-фильтр может уже быть встроен в корпус частотного преобразователя. Уровень электромагнитных излучений также в большой степени зависит от длины и способа укладки силовых кабелей.

Поэтому при монтаже частотного преобразователя следует строго придерживаться рекомендаций изготовителя.  

» Схема подключения  » Запросить дополнительную информацию и цены   » Заказать 

Fuji Electric фильтры ЭМС для преобразователей частоты  серии E1, 220В

FS21558-10-07 фильтр ЭМС для инверторов серии Е1 на 200~240B (1 фаза) мощностью 0.10~0.75 кВт
FS21558-17-07 фильтр ЭМС для инверторов серии Е1 на 200~240B (1 фаза) мощностью 1.50 кВт
FS21558-25-07 фильтр ЭМС для инверторов серии Е1 на 200~240B (1 фаза) мощностью 2.20 кВт

Fuji Electric фильтры ЭМС для серии преобразователей частоты  E1, 380В

FS21559-9-07 фильтр ЭМС для инверторов серии Е1 на 380~480B (3 фазы) мощностью 0.40~2.20 кВт
FS21559-13-07 фильтр ЭМС для инверторов серии Е1 на 380~480B (3 фазы) мощностью 4.00 кВт
FS21559-24-07 фильтр ЭМС для инверторов серии Е1 на 380~480B (3 фазы) мощностью 5.50~7.50 кВт
FS21559-44-07

Источник: http://energ43.ru/ems.html

Маленькие подсказки по применению частотных преобразователей

В настоящее время частотный преобразователь стал достаточно широко распостраненным прибором, и часто эксплуатируется людьми без специального образования по электроприводу.

Данная статья в краткой тезисной форме помогает получить необходимую информацию по электроприводу и избежать некоторых ошибок при выборе, монтаже и работе оборудования с частотным преобразователем.

Конечно, статья не заменит руководстова по эксплуатации и учебники по электроприводу, но самый минимальный набор полезных знаний она дать в состоянии.

Плавный пуск

Плавный пуск, обеспечиваемый частотным преобразователем, в любом приложении механически защищает приводную систему, уменьшая износ подшипников и предотвращая разрыв ремней, цепей, конвейерных лент и т.д. Плавный пуск также снижает электрические нагрузки на сеть, уменьшая пусковой ток с 600 % до 100-150% номинального тока двигателя.

Выбор двигателя

Ошибкой номер один при выборе электродвигателя для частотно-регулируемого привода является ориентация только на мощность (кВт).

Нужно иметь ввиду, что указанная мощность частотного преобразователя относится только к эксплуатации его со стандартным 4-х полюсным асинхронным двигателем в стандартном применении.

Во всех иных случаях нужно руководствоваться номинальными током (А) и напряжением (В) преобразователя и двигателя.

Работа двигателя на низкой скорости

Когда в приложении требуется, чтобы стандартный самовентилируемый двигатель длительно работал на низких скоростях (мене 1/3 от номинальной), то следует помнить, что охлаждающая способность вентилятора, расположенного на валу двигателя, резко снижается, и двигатель может быть перегрет. Поэтому нужно адекватно снижать нагрузку на двигатель или применять независимое охлаждение.

Электромагнитная совместимость

Грамотная прокладка электрических кабелей – ключ к решению большинства проблем электромагнитной совместимости.

По возможности используйте экранированный кабель между преобразователем и двигателем, и прокладывайте его отдельно (на расстоянии от 100мм) от всех других проводов.

В местах пересечения силовых и сигнальных проводов располагайте их под углом 90o друг к другу.

Питание от генератора

Плавный пуск электропривода позволит снизить стоимость питающего его электрического генератора, так можно будет применить генератор меньшей мощности (в 4 – 6 раз). Мощность генератора будет рассчитываться исходя из тока в установившемся режиме.

Между генератором и преобразователем частоты должен быть установлен контактор, управляемый от релейного выхода преобразователя, выключающего его при срабатывании защиты.

Таким образом, в случае перенапряжения от генератора, контактор разомкнется, и опасно-высокое напряжение с частотного преобразователя будет снято.

Свободновращающиеся вентиляторы

Вентиляторы в некоторых приложениях могут самораскручиваться, причем в обратную сторону, под воздействием движения воздуха.

При пуске такого вентилятора могут возникать токи короткого замыкания, способные повредить частотный преобразователь и двигатель.

Что бы этого избежать, на простых приводах нужно использовать функцию торможения постоянным током перед стартом, а на продвинутых приводах можно использовать функцию синхронизации с вращающимся двигателем.

Нагрузка с переменным моментом

Некоторые типы механизмов, например, такие как осевые и центробежные вентиляторы и насосы, имеют момент, зависящий от частоты вращения. Для них можно применять приводы (с перегрузочной способностью 120%), специально предназначенные для такой нагрузки.

Для других типов насосов и вентиляторов, имеющих возвратно поступательное движение (например, поршневые) нужно применять общепромышленные приводы (с перегрузочной способностью 150%), предназначенные для работы с постоянным моментом.

Питание 3-х фазного преобразователя от однофазной сети

Трехфазные частотные преобразователи Optidrive могут быть запитаны напряжением требуемого уровня от однофазной сети. Только при этом его нельзя нагружать током более 50% от номинального.

Экономия электроэнергии

В общем случае при управлении двигателем от частотного преобразователя, снижение скорости приводит к снижению потребляемой мощности. Особенно энергосберегающий эффект выражен в насосных и вентиляционных системах, особенно с ПИД-регулятором процесса по давлению или расходу, особенно при наличии в преобразователе частоты функции оптимизации энергопотребления.

Переменная подача

Часто в некоторых технологических процессах полезно синхронизировать между собой нескольких приводов для их согласованной работы. Например, в деревообработке в продольно-резательных станках можно согласовать привод продольной пилы с приводом подачи древесины.

Ток нагрузки привода пилы можно использовать в качестве сигнала отрицательной обратной связи для ПИД-регулятора привода подачи. Процесс будет оптимизирован тем, что при увеличении нагрузки на пилу подача будет адекватно уменьшена, и наоборот.

Гармоники

Все электроприводы по своей природе оказывают влияние на электрическую сеть, являясь источниками высших гармоник. Однако этот негативный эффект можно значительно снизить, используя сетевой дроссель.

Кроме этого, сетевой дроссель, являясь двухсторонним буфером, оказывает много положительных эффектов на сам привод, увеличивая его надежность и продлевая эксплуатационный ресурс.

Защищенная конструкция

Разработчикам частотных преобразователей часто требуется искать компромисс между эффективностью теплоотвода и защищенностью устройства от воздействия внешних факторов (климатических, физических, человеческих).

Как правило, частотники с высокой степенью защиты имеют большие размеры или меньший температурный диапазон, а иногда применяется система раздельного охлаждения. Разработчикам же систем с применение приводов приходится искать компромисс между требованиями надежности, безопасности и ценой оборудования.

В некоторых случаях выгоднее использовать частотный преобразователь с высокой степенью защиты, а в некоторых устанавливать обычный ПЧ в защищенный шкаф.

Длинный моторный кабель

В идеальном случае частотный преобразователь должен быть расположен непосредственно на двигателе. Максимальная длина моторного кабеля указывается в руководстве по эксплуатации на ПЧ.

Эта длина, как правило, относит к экранированным кабелям, бронированным, в металорукаве. При использовании не экранированного моторного кабеля, его длина может быть увеличена на 50%.

А при использовании выходного моторного дросселя длина может быть увеличена еще в двое.

Параллельное подключение двигателей

Мощность (номинальный ток) частотного преобразователя при подключении к нему одновременно нескольких двигателей следует выбирать с запасом на 10 – 15% суммарной мощности (номинальных токов) всех двигателей.

Также следует иметь в виду, что при определении длины моторного кабеля (см. предыдущий абзац) нужно суммировать длины кабелей всех двигателей. Уменьшить суммарную длину можно, подключая не все двигатели непосредственно к клеммам ПЧ, а 2-й к 1-му, 3-й ко 2-му, и т.д.

Как правило, при трех и более параллельных двигателях рекомендуется ставить моторный дроссель, даже если длина их кабелей не превышает максимально допустимую.

И большинство частотных преобразователей не допускает коммутации (подключения/отключения) двигателей с помощью э/м контакторов во время работы, а только через команду СТОП привода.

Источник: http://www.eti.su/articles/elektroprivod/elektroprivod_1369.html

Ссылка на основную публикацию