Фильтры электромагнитной совместимости и активные фильтры гармоник.
Фильтры ЭМС (электромагнитной совместимости) – это один из терминов, который применяется для обозначения устройств компенсации высших гармоник определенного порядка в электроустановках. Аналогичный ему по смыслу англоязычный термин – “Tuned filter” (настроенный фильтр). Частота, на которую «настраивается» фильтр ЭМС, во многих случаях соответствует гармоникам 5-го и 7-го порядка. Именно такой спектр «опасных» по величине гармоник формируется при работе преобразователей частоты и выпрямителей с 6-пульсной схемой включения.
В состав фильтров ЭМС входят дроссели и конденсаторы.
Фильтры включаются последовательно с нелинейным электроприёмником, высшие гармоники от которого требуется компенсировать. С этим в первую очередь связаны недостатки подобных фильтров.
Фильтры ЭМС “Ecosine” включены последовательно с преобразователями частоты ACS 550 (ABB).
Фильтры ЭМС (“Tuned filters”) эффективно работают при расчетной нагрузке электроприёмника, которая обычно составляет 80% от номинальной. При снижении нагрузки ток, проходящий через дроссели фильтра, также снижается и конденсаторы начинают генерировать в сеть реактивную мощность ёмкостного характера. Если в схеме фильтра не предусмотрено отключение конденсаторов, то создаваемая ёмкостная нагрузка может представлять опасность для генераторов автономных источников (вплоть до аварийного отключения).
 |
 |
| Конденсаторы в составе фильтра ЭМС “Ecosine” создают емкостную нагрузку в долевых режимах | На холостом ходу привода ток через конденсаторы фильтра ЭМС — 20,9 А |
Поскольку фильтры ЭМС (“Tuned filters”) включаются последовательно с электроприёмником, через их дроссели протекает полный ток нагрузки. Тепловые потери в этих дросселях могут быть значительны.
В случае выхода из строя конденсаторов фильтра ЭМС он уже не выполняет своё предназначение (не компенсирует гармоники 5-го и 7-го порядков) и превращается в малоэффективный дроссель. При коротком замыкании или обрыве в обмотке дросселя нарушается цепь питания основного электроприёмника, что отрицательно влияет на показатели надежности электроустановки в целом.
Активные фильтры являются привлекательной альтернативой фильтрам ЭМС. Они программно настраиваются на компенсацию гармоник определённого порядка, выполняя функции “Tuned filters”, но без присущих последним недостатков:
- Активные фильтры не нагружают сеть ёмкостной реактивной мощностью.
- Активные фильтры легко перестраиваются на компенсацию высших гармоник разных порядков в зависимости от состава потребителей и параметров сети.
- Активные фильтры включаются параллельно основным потребителям и в случае неисправности отключаются собственной защитой. Ответственные потребители при этом продолжат работать, что повышает надёжность электроустановки в целом.
Настройка активных фильтров на компенсацию гармоник определённого порядка.
Максимальный ток компенсации в системах с активными фильтрами при напряжении 400 В – 13500 А; при напряжении 690 В – 8100 А.
Наряду с компенсацией высших гармоники тока активные фильтры, поставляемые Инженерным центром «АРТ», могут непосредственно компенсировать искажения напряжения. При компенсации искажений напряжения на отдельной секции или присоединении это существенно удешевляет решение.
Предложения Инженерного центра «АРТ».
Полный комплекс работ по созданию систем компенсации высших гармоник на базе активных фильтров.
EMI/EMC Filter Basics
Electromagnetic Compatibility (EMC) ensures that multiple electronic devices can function acceptably within the same electromagnetic environment but not interfere with each other’s operation. Here we will discuss the basics of EMC standards, test methods, and using mitigation techniques.
Sources of EMI
Electromagnetic Interference (EMI) is an electromagnetic emission that causes interference in another electronic device. EMI can be from intentional or unintentional sources, continuous or intermittent, and at a single frequency or across a broad range of frequencies. EMI encompasses the entire electromagnetic spectrum but is most applicable to modern electronic devices over the frequency range of 10 kHz to 10 GHz.
Unintentional EMI sources include switch-mode power supplies (SMPS), digital devices, brushed DC motors, high-voltage ignition systems, and fluorescent lighting. SMPS is the most common unintentional EMI source; since they are now used almost exclusively in LED light bulbs, digital devices, and battery chargers for cell phones and laptops.
Intentional EMI sources are most commonly radio frequency transmitters, whose emissions are often referred to as Radio Frequency Interference (RFI). This includes AM radio, FM radio, television, cell phones, Wi-Fi, Bluetooth, and many other fixed and mobile radio communication systems used by aviation, emergency services, police, and the military.
Intermittent EMI includes transients that can cause catastrophic damage to electronics, including electrostatic discharge, lightning, inductive kickback, and electromagnetic pulse events (EMP).
EMI Coupling
EMI coupling from the source to the receptor can be conducted through wires, radiated through the air, or both. Radiated emissions readily penetrate non-conductive materials such as air, space, plastic, wood, and insulators. Radiated emissions become more challenging to mitigate at higher frequencies because higher frequencies have shorter wavelengths that are more effectively radiated by typical wire lengths.
Real-world EMI situations are often a combination of both conducted and radiated emissions, with any or all wires and cables acting as receiving or transmitting antennas.
EMI Suppression
EMC requires proper grounding, filtering, and shielding, i.e., you can’t simply increase filtering to make up for a bad ground or ineffective shielding.
Radiated EMI often requires shielding electronic components inside a metallic enclosure, and maintaining that shield requires cables and wires to be filtered at the point of entry. Filters reduce conducted EMI on wires and cables into and out of the enclosure. Point of entry feedthrough filters requires low-impedance coaxial connections to the metal enclosure to function correctly.
Basic EMI Compliant System
Compliance Testing
The two types of EMC testing are emissions and immunity. Emission testing verifies the frequency and amplitude of a device’s emissions are below standardized limits. Immunity testing confirms the acceptable functionality of a device when exposed to standardized EMI levels.
Emissions are measured using a Line Impedance Stabilization Network (LISN), current probe, or antenna connected to an EMI receiver that scans the desired frequency range. Emissions under the limit are passing, and emissions over the limit are failing.
Contact Us to learn more about our in-house EMC Test Lab.
Emissions Testing
Radiated Emissions Test Setup
Radiated Emissions Test Data
Conducted Emissions Test Setup
Conducted Emissions Test Data
Immunity
Immunity is performed by injecting EMI through a Coupling/Decoupling Network (CDN), current probe, or antenna and verifying the device’s functionality under test. The pass and fail indications are not seen on the EMC test equipment but are determined by monitoring the functionality of the device being tested while it is exposed to EMI.
Emission and immunity testing is broken down into the four basic EMC tests 1) Conducted Emissions, 2) Radiated Emissions, 3) Conducted Immunity, and 4) Radiated Immunity. Conducted emissions and conducted immunity testing will not use an antenna, whereas radiated emissions and radiated immunity testing use antennas. If there is an antenna in the setup, radiated emissions or radiated immunity tests are performed.
Immunity Testing
Radiated Immunity Testing Set-Up
Radiated Immunity Testing Data
Conducted Immunity Testing Set-Up
Conducted Immunity Testing Data
Real-World Considerations
The typical difference between EMI emission limits and immunity test levels is 100,000 to 1 or 100 dB. Is this a 100 dB safety margin? If electronic devices in a given environment are limited to such low emissions levels, why are these devices required to handle such high levels of immunity? The reason is that electronic devices must operate in close proximity to both radio transmitters and radio receivers. Radio transmitters generate high-level RFI to communicate over great distances. Radio receivers are very sensitive in order to detect these signals. Immunity test levels simulate the energy levels that electronic devices will be exposed to when they are operated nearby radio transmitters. Emission limits ensure that a device’s EMI emissions will not interfere with the reception of nearby radio receivers.
Notes
Equipment expected to operate in close proximity to radio transmitters must be immune to EMI levels in excess of 10 V or 140 dBμV.
Equipment expected to operate in close proximity to radio receivers typically limits EMI emission levels to less than 0.0001 V or 40 dBμV.
Standards and Specifications
From a global perspective, most governments have rules and regulations related to the control of EMI and call out specific standards for testing devices to ensure EMC compliance.
In the U.S., the Federal Communications Commission (FCC) handles EMC guidelines for commercial equipment. The Code of Federal Regulations (CFR) section 47 Parts 15, 18, and 68 contain relevant information that all engineers should be aware of when designing class A and B devices.
The US Military has its own standards, which are significantly more stringent. These guidelines are detailed in a wide range of military standards, such as MIL-STD-461 and MIL-STD-464.
The International Electrotechnical Commission (IEC), via its International Special Committee on Radio Interference (CISPR), creates globally accepted EMC standards.
Test capability at Spectrum Control is extensive and covers a large number of requirements related to the FCC, US Military, and the IEC. Some test capabilities are listed below, but this list continues to evolve and expand to support market expectations.
ЭМС фильтр для преобразователя частоты
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.
- 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.
Тиристорные преобразователи частоты
Тиристорный преобразователь частоты
Входные и выходные фильтры частотных преобразователей
Из-за особенностей конструкции частотного преобразователя его выходное напряжение и ток имеют искаженную, несинусоидальную форму с большим количеством гармонических составляющих (помех). Неуправляемый выпрямитель преобразователя частоты потребляет нелинейный ток, загрязняющий сеть электроснабжения высшими гармониками (5, 7, 11 гармоника и т. д.). ШИМ — инвертор преобразователя частоты генерирует широкий спектр высших гармоник с частотой 150 кГц-30 МГц. Питание обмоток двигателя таким искаженным несинусоидальным током приводит к появлению таких негативных последствий как тепловой и электрический пробой изоляции обмоток двигателя, увеличение скорости старения изоляции, увеличение уровня акустических шумов работающего двигателя, эрозии подшипников. Кроме того, преобразователи частоты могут являться мощным источником помех в электрической сети питания, оказывая негативное влияние на другое электрическое оборудование, подключенное к этой сети. Для ослабления отрицательного воздействия гармонических искажений, генерируемых ПЧ в процессе работы, на электрическую сеть, электродвигатель и собственно сам преобразователь частоты применяют различные фильтры.
Применяемые совместно с преобразователями частоты фильтры можно условно разделить на входные и выходные. Входные фильтры служат для подавления негативного влияния выпрямителя и ШИМ-инвертора, выходные фильтры предназначены для борьбы с помехами, создаваемыми ШИМ – инвертором ПЧ и внешними источниками помех. К входным фильтрам относятся сетевые дроссели и ЭМИ–фильтры (РЧ-фильтры), к выходным фильтрам: фильтры dU/dt, моторные дроссели, синус фильтры, фильтры высокочастотных синфазных помех.
Сетевые дроссели
Сетевой дроссель является двухсторонним буфером между сетью электроснабжения и преобразователем частоты и защищает сеть от высших гармоник 5, 7, 11 порядка с частотой 250Гц, 350 Гц, 550 Гц и т.д. Кроме того, сетевые дроссели позволяют защитить преобразователь частоты от повышенного напряжения сети питания и бросков тока при переходных процессах в питающей сети и нагрузке ПЧ, особенно при резком скачке сетевого напряжения, который бывает, например, при отключении мощных асинхронных двигателей. Сетевые дроссели с заданным падением напряжения на сопротивлении обмоток около 2% от номинальной величины сетевого напряжения предназначены для применения с преобразователями частоты не осуществляющими регенерацию энергии, освобождающейся при торможении двигателя обратно в систему электропитания. Дроссели с заданным падением напряжения на обмотках около 4% предназначены для работы комбинаций преобразователей и автотрансформаторов с функцией регенерации энергии торможения двигателя в систему электропитания.
Сетевые дроссели рекомендуется применять:
- при наличии в сети электропитания значительных помех от другого оборудования;
- при асимметрии напряжения питания между фазами более 1,8 % от номинальной величины напряжения;
- при присоединении преобразователя частоты к питающей сети с очень низким полным сопротивлением (например, при запитке ПЧ от рядом расположенного трансформатора, мощность которого более чем в 6-10 раз больше мощности ПЧ);
- при присоединении большого количества преобразователей частоты к одной линии электропитания;
- при питании от сети, к которой подключены другие нелинейные элементы, создающие существенные искажения;
- при наличии в схеме электроснабжения батарей конденсаторов (компенсаторов реактивной мощности), повышающих коэффициент мощности сети.
Преимущества применения сетевых дросселей:
- Защищают преобразователь частоты от импульсных всплесков напряжения в сети;
- Защищают преобразователь частоты от перекосов фаз питающего напряжения;
- Уменьшают скорость нарастания токов короткого замыкания в выходных цепях преобразователя частоты;
- Повышают срок службы конденсатора в звене постоянного тока ПЧ.
ЭМИ–фильтры/ фильтры 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 ЭМИ–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 ЭМИ–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. ЭМИ-фильтр должен устанавливаться как можно ближе к силовому входу ПЧ. В некоторым случаях ЭМИ-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.
Конструкция и область применения фильтров dU/dt
Фильтр dU/dt представляет собой Г-образный фильтр низких частот, состоящий из дросселей и конденсаторов. Номиналы индуктивностей дросселей и конденсаторов подобраны таким образом, чтобы обеспечивалось подавление частот выше частоты коммутации силовых ключей инвертора ПЧ. Величина индуктивности обмотки дросселя фильтра dU/dt находится в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен мкГн, емкость конденсаторов фильтра dU/dt обычно находиться в пределах нескольких десятков нФ. За счет применения фильтра dU/dt удается снизить пиковое напряжение и отношение dU/dt импульсов на клеммах двигателя примерно до 500 В/мкс, тем самым защитив обмотку двигателя от электрического пробоя.
Фильтры dU/dt рекомендованы для применения в следующих случаях:
- Частотно-управляемый привод с частым рекуперативным торможением;
- Привод с двигателем, не рассчитанным на работу с преобразователем частоты и не соответствующим требованиям стандарта IEC 600034-25;
- Привод со старым двигателем (с низким классом изоляции), или с двигателем общего назначения не соответствующим требованиям стандарта IEC 600034-17;
- Привод с коротким моторным кабелем (менее 15 метров);
- Частотно-регулируемый привод, двигатель которого установлен в агрессивной среде или работает при высоких температурах;
- С двигателями общего назначения, использующими напряжение 690 В.
Так как фильтр dU/dt имеет сравнительно низкие значения индуктивности и емкости, то волна напряжения на обмотках двигателя еще имеет форму двуполярных прямоугольных импульсов вместо синусоиды. Но ток, протекающий через обмотки двигателя, уже имеет форму практически правильной синусоиды. Фильтры dU/dt могут использоваться на частоте коммутации ниже номинального значения, но следует избегать использовать их на частоте коммутации выше номинального значения, поскольку это вызовет перегрев фильтра. Фильтры dU/dt иногда называют моторными дросселями. В конструкции большинства моторных дросселей отсутствуют конденсаторы, а обмотки катушек имеют более высокую индуктивность.
Синусные фильтры/ синус-фильтры
Конструкция синусных фильтров (синус-фильтров) аналогична конструкции фильтров dU/dt с той лишь разницей, что в них установлены дроссели и конденсаторы большего номинала, образующие LC-фильтр с частотой резонанса менее 50% от частоты коммутации (несущей частоты ШИМ-инвертора). За счет этого обеспечивается более эффективное сглаживание и подавление высоких частот и синусоидальная форма фазных напряжений и токов двигателя. Величина индуктивностей синусного фильтра находиться в пределах от сотен мкГн до десятков мГн, емкость конденсаторов синусоидального фильтра от единиц мкФ до сотен мкФ. Поэтому размеры синус-фильтров велики и сравнимы с размерами частотного преобразователя, к которому данный фильтр подключен.
При применении синусных фильтров отпадает необходимость в использовании специальных двигателей с усиленной изоляцией сертифицированных для работы с преобразователями частоты. Также уменьшается акустический шум от двигателя и подшипниковые токи в двигателе. Уменьшается нагрев обмоток двигателя, вызванный наличием токов высокой частоты. Синусные фильтры позволяют использовать более длинные моторные кабели в тех случаях применения, когда двигатель установлен далеко от преобразователя частоты. Одновременно с этим синусный фильтр устраняет импульсные отражения в моторном кабеле, благодаря чему уменьшаются потери в самом преобразователе частоты.
Синусные фильтры рекомендованы для применения в следующих случаях:
- Когда требуется устранить акустический шум от двигателя при коммутации;
- При запуске старых двигателей с изношенной изоляцией;
- В случае эксплуатации с частым рекуперативным торможением и с двигателями, не соответствующими требованиям стандарта IEC 60034-17;
- Когда двигатель установлен в агрессивной внешней среде или работает при высоких температурах;
- При подключении двигателей экранированными или неэкранированными кабелями длиной от 150 до 300 метров. Использование кабелей двигателя длиной более 300 метров зависит от конкретного применения.
- При необходимости увеличить интервал техобслуживания двигателя;
- При пошаговом увеличении напряжения или в других случаях, когда преобразователь частоты питается от трансформатора;
- С двигателями общего назначения, использующими напряжение 690 В.
Синусные фильтры могут использоваться с частотой коммутации выше номинального значения, но их нельзя использовать при частоте коммутации ниже номинального значения (для данной модели фильтра) более чем на 20 %. Поэтому в настройках частотного преобразователя следует ограничить минимально возможную частоту коммутации в соответствии с паспортными данными фильтра. Кроме того, в случае применения синусного фильтра не рекомендуется повышать частоту выходного напряжения ПЧ выше 70 Гц. В некотором случае необходимо ввести в ПЧ значения емкости и индуктивности синус–фильтра.
В процессе работы синус–фильтр может выделять большое количество тепловой энергии (от десятков Вт до нескольких кВт) поэтому их рекомендуется устанавливать в хорошо вентилируемых местах. Также работа синус-фильтра может сопровождаться наличием акустического шума. При номинальной нагрузке привода на синус‐фильтре будет падать напряжение около 30 V. Это нужно учитывать при выборе электродвигателя. Падение напряжения может быть частично скомпенсировано уменьшением точки ослабления поля в настройках частотного преобразователя, и до этой точки на двигатель будет подаваться корректное значение напряжения, но на номинальной скорости напряжение будет пониженным.
Дроссели dU/dt, моторные дроссели и синусные фильтры должны соединяться с выходом преобразователя частоты экранированным кабелем минимально возможной длины. Максимальная рекомендованная длина кабеля между преобразователем частоты и выходным фильтром:
- 2 метра при мощности привода до 7,5 кВт;
- 5-10 метров при мощности привода от 7,5 до 90 кВт;
- 10-15 метров при мощности привода выше 90 кВт.
Высокочастотные фильтры синфазных помех
Высокочастотный фильтр синфазных помех представляет собой дифференциальный трансформатор с ферритовым сердечником, «обмотками» которого являются фазные провода моторного кабеля. Высокочастотный фильтр снижает высокочастотные синфазные токи, связанные с электрическими разрядами в подшипнике двигателя, а также уменьшает высокочастотные излучения от кабеля двигателя, например, в случаях использования не экранированных кабелей. Ферритовые кольца высокочастотного фильтра синфазных помех имеют овальную форму для упрощения монтажа. Через отверстие в кольце пропускаются все три фазных провода моторного кабеля, присоединенные к выходным клеммам U, V и W частотного преобразователя. Важно пропустить все три фазы моторного кабеля через кольцо, иначе оно будет насыщаться. Не менее важно не пропускать через кольцо провод защитного заземления PE, какие-либо другие провода заземления или нулевые проводники. В противном случае кольцо утратит свои свойства. В ряде случаев применения может потребоваться собрать пакет из нескольких колец для исключения их насыщения.
Ферритовые кольца могут быть установлены на моторном кабеле со стороны выходных клемм преобразователя частоты (клеммы U, V, W) или в соединительной коробке электродвигателя. Установка ферритовых колец ВЧ — фильтра со стороны клемм преобразователя частоты снижает как нагрузку на подшипники двигателя, так и высокочастотные электромагнитные помехи от кабеля двигателя. При установке непосредственно в соединительной коробке двигателя фильтр синфазных помех снижает только нагрузку на подшипники и не воздействует на электромагнитные помехи от кабеля двигателя. Необходимое количество колец зависит от их геометрических размеров, длины кабеля двигателя и рабочего напряжения преобразователя частоты.
При нормальной эксплуатации температура колец не превышает 70 °C. Температура колец выше 70 °C указывает на их насыщение. В этом случае требуется установить дополнительные кольца. Если кольца продолжают входить в режим насыщения, это означает, что моторный кабель слишком длинный, слишком большое число параллельных кабелей, либо используется кабель с высокой погонной емкостью. Также не следует использовать в качестве моторного кабеля кабель с жилами секторообразной формы. Следует применять только кабели с жилами круглой формы. Если температура окружающей среды выше 45 — 55 °C, то снижение номинальных характеристик фильтра становится весьма значительным.
При использовании нескольких параллельных кабелей при выборе количества ферритовых колец необходимо учитывать суммарную длину этих кабелей. Например, два кабеля длиной 50 м каждый эквивалентны одному кабелю длиной 100 м. Если используется много параллельных двигателей, то на каждом из них необходимо установить отдельный комплект колец. Ферритовые кольца могут вибрировать под воздействием переменного магнитного поля. Эта вибрация может привести к износу материала изоляции кольца или кабеля за счет постепенного механического истирания. Поэтому ферритовые кольца и кабель следует жестко зафиксировать пластиковыми кабельными стяжками (хомутами).