Рисунок 12. Напряжение (верхний осциллограф) и ток двигателя (нижний осциллограф). Тип катушки двигателя ED3S-22.4/2.1 (22.4mH, 2.5A) на клеммах инвертора 0.75kW, 400V, 50Hz, PWM 10kHz, длина кабеля 211м.
Дроссели — необходимые элементы работы приводной системы
Целью современных систем привода является управление скоростью в широком диапазоне и обеспечение «более плавного пуска» электрической машины. Самым простым способом достижения этой цели является использование трансформатора напряжения в качестве источника тока. Помимо очевидных преимуществ этого решения и растущей популярности его использования, важно также знать о проблемах, которые могут возникнуть при использовании преобразователей частоты. Эти проблемы связаны с негативным воздействием инверторов на электросеть (более высокие гармоники в питающем токе — и, соответственно, повышенное потребление реактивной мощности) и на движущийся двигатель (повышенный уровень шума, дополнительные потери, ускоренное старение изоляции, коррозия подшипников).
Учитывая широкий спектр проблем, в данной статье будут рассмотрены только вопросы, связанные с одновременной работой инвертора и двигателя. Проблемы и паразитные явления, возникающие в таких системах, часто недооцениваются. Эта статья позволит читателю распознать и оценить масштаб существующих проблем.
На следующем рисунке показаны все элементы защиты, которые можно условно разделить на входные и выходные элементы. Входные элементы используются для подавления негативного влияния выпрямителя, а выходные элементы — для борьбы с проблемами, вызванными ШИМ-инвертором. Входные элементы включают сетевые катушки и сглаживающие катушки. Выходными элементами являются: катушки du/dt; катушки двигателя; синусоидальные фильтры.
ВХОДНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗАЩИТЫ
1. Сетевые дроссели
Линейный реактор действует как двунаправленный регулятор между сетью и преобразователем частоты. Он защищает сеть от гармоник 5, 7, 11 и т.д. (250 Гц, 350 Гц, 550 Гц).
Преимущества использования линейных реакторов ED3N:
- Защищает преобразователь частоты от пиков напряжения в сети.
- Защита преобразователя частоты от перекоса фаз
- Уменьшает скорость нарастания тока короткого замыкания в выходных цепях преобразователя частоты
- Увеличивает срок службы конденсатора связи постоянного тока
Рисунок 2. Форма волны входного тока преобразователя частоты без сетевого дросселя ED3N и с ним.
2. Сглаживающие дроссели
Сглаживающая катушка ED1W имеет те же функции, что и сетевой дроссель, за исключением того, что частотный преобразователь защищен от перенапряжения сети и инверсии фаз напряжения питания.
Преимущества использования сглаживающего реактора серии ED1W
- уменьшает остаточные пульсации муфты постоянного тока
- Уменьшает скорость нарастания тока короткого замыкания в выходных цепях преобразователя частоты
- Увеличивает срок службы конденсатора связи постоянного тока
Рисунок 3. Форма волны входного тока преобразователя частоты без дросселя ED1W и с ним.
ВЫХОДНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗАЩИТЫ
Принцип работы большинства используемых сегодня преобразователей частоты основан на ШИМ-модуляции (широтно-импульсной модуляции) выходного напряжения. Генерируемое таким образом напряжение имеет форму последовательности импульсов с очень коротким временем нарастания (высокий острый фронт), напряжение не является синусоидальным. Это положительно для инвертора, так как переключение позволяет ему в течение короткого времени поддерживать уровень, при котором потери в инверторе минимальны. Однако скорость изменения (du/dt) выходных импульсов и увеличение частоты переключения в инверторах могут вызвать паразитные эффекты на кабеле двигателя и самом двигателе. Эти явления оказывают значительное влияние на сокращение срока службы двигателя и в целом увеличивают вероятность отказа системы привода. Наиболее распространенными проблемами являются:
(a) Высокая скорость нарастания напряжения (du/dt) — Когда расстояние между инвертором и двигателем небольшое, высокий наклон выходного напряжения инвертора оказывает негативное влияние на изоляцию и обмотку кабеля. Современные инверторы имеют крутизну нарастания до 10 или даже 12 кВ/мс, в то время как двигатели имеют максимально допустимую крутизну нарастания до 1 кВ/мс.
(b) Перенапряжения на клеммах двигателя — возникают в результате волновых эффектов, иногда называемых «эффектом длинной линии», «эффектом отраженной волны» или «эффектом стоячей волны». При длине кабеля около 10 м уже можно наблюдать признаки этого явления. Коварство этих высокочастотных бросков тока заключается в том, что двигатель «убит» в течение длительного времени, и отказ двигателя часто не связан с питанием от ШИМ-преобразователя. Двигатель перематывается или устанавливается новый двигатель, и через некоторое время явление повторяется. Эквивалентная схема может быть представлена как последовательное соединение паразитных конденсаторов и дросселей кабельной линии:
(a) схема системы привода (инвертор — кабель — двигатель); (b) скорость изменения выходного напряжения инвертора; (c) перенапряжение на клеммах двигателя.
Рисунок 4. Напряжение на обмотке двигателя без срыва.
Рисунок 5. Одиночный импульс выходного напряжения инвертора (верхний импульсный график) и напряжения на клеммах двигателя (нижний импульсный график). Никаких связей. Длина кабеля 211 м, частота ШИМ 2 кГц, инвертор 0,75 кВт, асинхронный двигатель 0,75 кВт, 2820 об/мин.
Рисунок 6. Напряжение двигателя (верхний осциллограф) и ток (нижний осциллограф). Никаких связей. Длина кабеля 211 м, частота ШИМ 2 кГц, асинхронный двигатель 0,75 кВт, 2820 об/мин.
Даже при малой индуктивности высокоиндуктивная последовательность импульсов напряжения приводит к перенапряжению. При увеличении длины кабеля увеличивается результирующая индуктивность, а повышенные пульсации и перенапряжение могут привести к повреждению изоляции двигателя. Перенапряжение в обмотках двигателя может достигать более 1000 В. Хотя допустимое перенапряжение для низковольтного двигателя для общепромышленного применения ограничено 1000 В, минимальное время нарастания составляет 2 мкс.
Причина использования моторных дросселей (также называемых выходными дросселями или выходными реакторами) заключается в способе работы преобразователя частоты.
Назначение входного сетевого дросселя
Сетевой дроссель, также называемый входным дросселем, подключается к силовому входу преобразователя частоты (обычно к силовым клеммам R, S, T). Наиболее важными параметрами сетевого дросселя являются индуктивность и максимальный постоянный ток. Индуктивность должна быть выбрана таким образом, чтобы падение напряжения на катушке при рабочей частоте и номинальном рабочем токе составляло 3-5 %. Падение напряжения можно рассчитать по следующей формуле:
U=2πfLI, где f — рабочая частота (Гц), L — индуктивность катушки (Hn), а I — ток (A).
Рассмотрим основные преимущества использования линейных реакторов.
1. подавление высших гармоник, входящих и возвращающихся из инвертора в сеть электропитания. Преобразователь частоты обычно содержит ВЧ-фильтр для уменьшения этих излучений. Установка линейной катушки обеспечивает дополнительное подавление высокочастотных помех. Это значительно снижает уровень верхних гармоник напряжения питания, а среднеквадратичное значение тока питания приближается к значению базового тока (50 Гц).
2. в случаях, когда источник питания находится рядом, а импеданс линии очень низкий, использование катушки линии может значительно уменьшить ток короткого замыкания и увеличить время его нарастания. Это защищает преобразователь в случае короткого замыкания на выходе.
Если несколько мощных устройств подключены к одной шине питания, при включении и выключении могут возникать высокие пики напряжения. Линейная катушка значительно уменьшает это явление.
При выборе оборудования следует помнить об одной вещи. Чтобы избежать перегрева катушки, ее номинальный ток должен быть равен или превышать максимальный ток преобразователя.
Когда сетевой дроссель не нужен
Преобразователи частоты предпочтительно должны быть оснащены сетевыми катушками. Многие компании увеличивают гарантию в 2 раза, если приобретают преобразователи частоты с дроссельными катушками. Однако в некоторых случаях этим оборудованием можно пренебречь:
- В электросети нет мощного электрооборудования с высокими пусковыми токами.
- Электрическая сеть имеет относительно высокое сопротивление (низкий ток короткого замыкания).
- Работа преобразователя частоты позволяет избежать резких изменений мощности, которые привели бы к внезапному увеличению потребления электроэнергии.
- Для защиты преобразователя частоты используются полупроводниковые предохранители или автоматические выключатели с характеристикой В, в зависимости от рекомендаций производителя.
- Преобразователь частоты имеет широкий диапазон мощности в зависимости от используемого двигателя.
В целом, однако, использование дросселей двигателя значительно увеличивает срок службы и надежность преобразователей частоты.
Использование моторного дросселя
Дроссель двигателя встроен в цепь питания двигателя. Другие названия — выходной дроссель или синусоидальный фильтр.
Необходимость дросселя двигателя вытекает из принципа работы преобразователя частоты. На выходе инвертора установлены силовые транзисторы, работающие в режиме стробирования. Это генерирует импульсы квадратной волны, которые аппроксимируют фактическое напряжение как синусоиду, изменяя его длительность. Дроссель двигателя уменьшает высшие гармоники в выходном напряжении ЦФ и обеспечивает почти синусоидальную форму тока питания двигателя, минимизируя высокочастотные токи. Это увеличивает коэффициент мощности и снижает потери в двигателе.
Кроме того, высшие гармоники увеличивают емкостные токи на выходе ПЧ, что может привести к значительным потерям при длине кабеля более 20 м. Дроссель двигателя значительно снижает этот эффект. Эти устройства также используются, когда важно уменьшить помехи, вызванные кабелем от инвертора к двигателю.
Следует отметить, что номинальный ток дросселя двигателя должен быть больше, чем максимальный ток двигателя. Падение напряжения на дроссельной катушке должно быть рассчитано с учетом максимальной рабочей частоты двигателя, которая может достигать 400 Гц.
