Применение помехоподавляющих фильтров на выходе преобразователей частоты

  Преобразователи частоты применяются для регулировки скорости двигателей переменного тока. В тех приложениях, где преобразователь и двигатель соединены с помощью кабеля достаточно большой длины, между самими проводниками и между проводниками и землей появляются паразитные емкости. Эти емкости наряду с паразитными индуктивностями проводников кабеля и взаимной индуктивностью между этими проводниками образуют колебательный контур.

Синусоидальное напряжение на выходе преобразователя модулируется прямоугольными импульсами разной ширины с крутыми фронтами. Скорость нарастания фронтов достигает 5–10 кВ/мкс, что порождает переходный процесс в колебательном контуре кабеля и вызывает появление в проводниках кабеля высокочастотных токов, а это негативно сказывается на характеристиках системы. Перечислим основные нежелательные последствия от появления высокочастотных токов:

• Уменьшается эффективный ток двигателя. Чтобы компенсировать этот эффект, у преобразователя должна быть достаточно высокая номинальная мощность.
• Величина токов переходного процесса достигает порога срабатывания токовой защиты, и преобразователь отключается.
• Высокочастотные токи наряду с высокочастотными составляющими напряжения вызывают потери в кабеле и двигателе.
• Поскольку часть высокочастотных токов направляется через паразитную емкость в землю, возникают асимметричные помехи. При использовании неэкранированных кабелей это может привести к появлению недопустимо больших полей помех. Во избежание такого эффекта двигателям требуются дорогостоящие экранированные кабели.
• Перенапряжения в кабеле во время переходного процесса могут намного превысить номинальное напряжение двигателя (рис. 1), приведя к его отказу.
  
  

  Рис. 1. Выброс напряжения в кабеле двигателя

Из-за длинных кабелей двигателей, имеющих сравнительно высокую индуктивность, происходят выбросы напряжения при крутых нарастающих фронтах сигналов. В результате возникают следующие проблемы на выходе преобразователя:

• Высокочастотные токи и напряжения в переходном процессе порождают проблемы ЭМС.
• Возрастают акустические шумы двигателя.

Выходные конденсаторы частично позволяют подавить помехи. При выборе средств помехоподавления необходимо учитывать такие факторы, как длина кабеля, частотный спектр помех, тип используемого двигателя и его номинальная мощность, которые играют определяющую роль.

Для подавления шума, вызванного переходными процессами в длинных кабелях электродвигателя, применяются дроссели. Весь ток двигателя протекает через эти последовательно установленные дроссели. Скачки тока и напряжения на выходе преобразователя частоты сглаживаются индуктивностью, благодаря которой уменьшается величина напряжения, до которой заряжаются паразитные емкости кабеля. Дроссели в цепи двигателя, главным образом, защищают его обмотки от резкого повышения напряжения.

Компоненты серии B86301U* (рис. 2) рассчитаны на работу при номинальном напряжении 520 В AC, а их допустимая нагрузка по току в зависимости от типа составляет 8–1500 А. Эти устройства применяются в цепи кабеля длиной до 100 м при частоте двигателя в диапазоне 0–400 Гц. Компоненты меньшего размера предназначены для работы при максимальной тактовой частоте 16 кГц, допустимой нагрузке по току выше 500 А и частоте всего 2,5 кГц. Все типы дросселей, отвечающих требованиям стандарта IEC 60076–6, производятся с электрической изоляцией, которая соответствует системе UL T‑EIS-CF1.

Рис. 2. Дроссели для электродвигателей подавляют выбросы напряжения

Благодаря тому что допустимая нагрузка по току дросселей для электродвигателей составляет 8–1500 А, они предотвращают всплески напряжения в обмотках и, таким образом, способствуют увеличению срока службы двигателей.

Синусоидальные фильтры

При более жестких требованиях к подавлению помех применяются синусоидальные фильтры. Их принцип действия тот же, что и у LC-фильтров, но, в отличие от дросселей, устанавливаемых в цепи двигателей, их полоса пропускания находится в диапазоне между выходной частотой модулированного напряжения и частотой коммутации преобразователя.

Как известно, синусоидальный фильтр, главным образом, подавляет симметричные помехи между линиями, но практически не уменьшает шумы, влияющие на фазное напряжение. Следовательно, кабели электродвигателей должны быть экранированы. Синусоидальные фильтры уменьшают шумы двигателей и потери, обусловленные вихревыми токами, позволяя использовать кабели, длина которых намного превышает 100 м.

К типовым синусоидальным фильтрам относятся компоненты EPCOS серий B84143V*R227, R229 и R230. Они предназначены для работы с непрерывными токами 4–320 А при номинальном напряжении 520–690 В. В зависимости от типа допустимая тактовая частота преобразователей составляет 1,8–16 кГц.

Технология SineFormer

Дроссели в цепях электродвигателей и синусоидальные фильтры, подавляющие броски напряжения в кабелях, не справляются с помехами, оказывающими воздействие на фазное напряжение. С учетом этого обстоятельства необходимо использовать экранированные кабели. Более того, токи через подшипники электродвигателя трудно уменьшить, принимая только описанные выше меры.

Чтобы ослабить асимметричные помехи в кабеле электродвигателя до такой степени, чтобы исключить необходимость в экранировании кабеля, применяется синусоидальный фильтр наряду с тококомпенсированным дросселем и заземленными конденсаторами. На рисунке 3 представлена такая схема, основанная на использовании технологии EPCOS SineFormer.

Рис. 3. Электрическая схема с использованием технологии EPCOS SineFormer

Фильтры SineFormer подавляют не только симметричные, но и несимметричные помехи, исключая необходимость в дорогостоящих экранированных кабелях и защищая электродвигатели.

Преимущества

К техническим преимуществам использования помехоподавляющих фильтров SineFormer относятся следующие:

• ослабление dv/dt до <500 В/мкс;
• ослабление шума от электродвигателя;
• существенное уменьшение потерь, обусловленных вихревыми токами;
• существенное ослабление токов в подшипниках;
• устранение наводок от кабеля двигателя на другие кабели;
• более высокая помехозащищенность по сравнению с экранированными кабелями;
• уровень излучаемых радиопомех соответствует требованиям стандартов;
• наилучшее подавление кондуктивных и излучаемых помех по сравнению с другими фильтрующими схемами;
• отсутствие (при необходимости) обратной связи по шине постоянного тока преобразователя.

У фильтров SineFormer имеются следующие экономические преимущества:

• возможность использовать неэкранированные кабели двигателя, что позволяет сократить расходы на монтаж, значительно увеличить срок службы двигателя и минимизировать расходы на кабели;
• возможность сократить размеры электродвигателя;
• возможность использовать неэкранированные кабели большей длины (до 1000 м);
• отсутствие эксплуатационных расходов, т. к. эти фильтры не требуют принудительной вентиляции;
• сравнительно малый размер и вес фильтров;
• более мягкие требования к сетевым фильтрам;
• бесперебойная работа системы;
• возможность замены.

Решение на основе фильтров SineFormer наряду с неэкранированными кабелями (с разными диаметрами и длиной), как правило, является более экономичным по сравнению с использованием экранированных кабелей. В оборудовании, в котором длина кабелей превышает 100 м, экономия средств за счет использования неэкранированных кабелей вместо экранированных превышает сравнительно высокую стоимость фильтров SineFormer. Длина кабеля, при которой решение с использованием фильтра SineFormer становится более экономичным, чем с синусоидальным фильтром и экранированным кабелем, составляет около 50 м. При этом даже не учитываются расходы на монтаж экранированных кабелей.

На рисунке 4 показано, насколько хорошо работает технология SineFormer: даже если силовые кабели и неэкранированные кабели электродвигателя проложены рядом, предельная величина шума не превышает безопасного уровня (в данном случае соответствует требованиям EN 61800–3 Category C2). Тот факт, что в кабелях не возникают наводки, является доказательством высокой эффективности рассматриваемой технологии фильтрации.

Рис. 4. Измеренный шум в схеме с фильтром SineFormer

В целом, эта технология позволяет сократить расходы и повысить техническую готовность оборудования. Несмотря на то, что кабели не экранированы, функционирование осуществляется в допустимых пределах.

Если помехи в кабеле невелики и не сказываются на управляющем сигнале, синусоидальные фильтры B84143V*R127 SineFormer можно заменять сетевыми фильтрами. При этом необходимо в каждом конкретном случае подбирать соответствующую схему сетевого помехоподавляющего фильтра. Например, с этой целью можно задействовать фильтры серии B84243A*. Предельные значения допустимых помех при совместном использовании фильтров SineFormer и не­экранированных кабелей длиной до 300 м определяются требованиями стандарта EN 61800–3 Class C2.