При работе двигателя нередко рождаются нежелательные явления, которые именуют «высшими гармониками». Они негативно сказываются на кабельных линиях и оборудовании электросети, приводят к нестабильной работе оборудования. При этом получается малоэффективное использование энергии, быстрое старение изоляции, сниженный процесс передачи и генерации.

Для решения данной проблемы необходимо выполнять требования по электромагнитной совместимости (ЭМС), выполнение которых позволит обеспечить устойчивость технических средств к негативным воздействиям. В статье сделан небольшой экскурс в область электротехники, связанной с фильтрацией входных и выходных сигналов частотного преобразователя (ПЧ) и повышением эксплуатационных характеристик двигателей.

Что такое электромагнитные шумы?

Они возникают буквально от всех металлических антенн, собирающих и излучающих дезориентирующие энергетические волны. И сотовые телефоны, естественно, тоже наводят магнитоэлектрические волны, поэтому при взлете/посадке самолета стюардессы просят отключать аппаратуру.

Шумы разделяются по типу источников их возникновения, по спектру и характерным признакам. Электрическими и магнитными полями разных источников из-за наличия коммутационных связей создаютсяв кабельной линии ненужные разности потенциалов, нарастающие на полезные волны.

Возникающие в проводах помехи называются противофазными либо синфазными. Последние (они также называются несимметричными, продольными) образуются между кабелем и землей, и действуют на изоляционные свойства кабеля.

Их значительная часть образуется от коммутации электрических цепей, непреднамеренной взаимной индуктивности и паразитной емкости. И небольшое количество от магнитного излучения, которое распространяется в пространстве по мере изменения параметров сети во времени.

Наиболее распространенными шумовыми источниками является индуктивная аппаратура (содержащая катушки), такие, как асинхронные двигатели (АД), реле, генераторы и т. д. Шум может вступать в «конфликт» с некоторыми устройствами, индуцируя электротоки в их цепях, вызывая сбои в рабочем процессе.

Как шумы связаны с частотным преобразователем?

Электроток является наиболее важной частью во время преобразования. Это кровь, протекающая по артериям (проводам) для питания оборудования. Конденсаторы отвечают за фильтрацию импульсов тока. Именно ток обеспечивает нужный уровень Uвых. Мощность зависит от текущей нагрузки. Паразитная емкость и взаимная индуктивность приводит к образованию потерь. Эта концепция перекрестных преткновений распространяется по всей цепи.

Преобразователи для  асинхронных двигателей с динамически изменяющимся рабочим режимом, имея много положительного, обладают рядом недостатков — их использование приводит к возникновению интенсивных электромагнитных помех и наводок, которые формируются в аппаратах, связанных с ними по сети либо расположенными вблизи и подвергающимися излучению. Зачастую АД размещают удаленно от инвертора и соединяют с ним удлинённым проводом, что создаёт угрожающие предпосылки выхода электродвигателя из строя.

Наверняка кому-то приходилось столкнуться с импульсами от энкодера электродвигателя на контроллере либо с выдачей ошибки при использовании длинных проводов — все эти проблемы, так или иначе, связаны с совместимостью электронной техники.

Фильтры частотных преобразователей

Для повышения качества управления, ослабления отрицательного влияния используется фильтрующее устройство, представляющее собой элемент с нелинейной функцией. Задаётся частотный диапазон, вне которого реакция начинает ослабевать. С точки зрения электроники, этот термин довольно часто используется при обработке сигналов. Им определяется ограничительные условия для токовых импульсов. Основная функция частотника заключается в генерировании полезных, уменьшении нежелательных колебаний до уровня, установленного в соответствующих стандартах.

Сетевой фильтр для частотного преобразователя

Существует два вида приборов в зависимости от места расположения в цепи, именуемые как входной и выходной. «Вход» и «выход» означает, что фильтрующие аппараты подсоединены к входной и выходной стороне преобразователя. Отличие между ними определяется их применением.

Входные служат для уменьшения шумовв кабельной линии электроснабжения. Они также влияют на устройства, подключенные к той же сети. Выходные предназначаются для помехоподавления для аппаратов, расположенныхрядом с инвертором и использующих одну и ту же землю.

Назначение фильтров для частотного преобразователя

В процессе функционирования частотный преобразователь – асинхронный двигатель, создаются нежелательные высшие гармоники, которые в совокупности с индуктивностью проводов приводят к ослаблению помехоустойчивости системы. По причине генерирования излучения электронная техника начинает неправильно работать. Активно функционирующие сетевые фильтры обеспечивают электромагнитную совместимость систем регулирования АД, спроектированных на основе ПЧ. К некоторому оборудованию предъявляются повышенные требования на предмет помехоустойчивости.

3-з фазные фильтры для частотника позволяют максимально снижать степень кондуктивных помех в широком частотном диапазоне. В итоге электропривод хорошо вписывается в единую сеть, где задействовано несколько оборудований. ЭМС-фильтры надлежит размещать на достаточно близком расстоянии к силовым входам/выходам преобразователя частоты , в виду зависимости уровня помех от длины и способа укладки силового кабеля. В отдельных случаях их устанавливают непосредственно корпус преобразователя частоты.

Фильтры необходимы для:

  • помехоустойчивости;
  • сглаживания амплитудного спектра, чтобы получить чистый электроток;
  • выбора частотных диапазонов и восстановления данных.

Все модели векторных частотных преобразователей  снабжены сетевой фильтрацией. Наличие фильтрующих аппаратов обеспечивает необходимый уровень ЭМС для работы системы. Встроенное устройство позволяетделать минимальными наводки ишумы в электронной технике, и, следовательно,удовлетворяет требованиям по совместимости.

Отсутствие функции фильтрации в частотном преобразователе часто приводит к совокупительному нагреву питающего трансформатора, импульсным изменениям, искажениям формы питающей кривой, что вызывает сбой работы техники.

1. Тококомпенсирующие сетевые дроссели

Аппараты, абсолютно необходимые для обеспечения стабильности работы сложной электронной техники. Между преобразователем частоты и сетью питания монтируется буфер с целью защиты линии от высших гармоник. Он способен сдерживать этиколебания волн,частота которых больше550 Гц. При остановке мощной асинхроннойдвигательной системы, может возникнуть скачок напряжения. В этот момент срабатывает защита.

Тококомпенсирующие сетевые дроссели

Сетевой дроссель рекомендовано устанавливать для подавления высокочастотных гармоник и корректировки коэффициента системы. Важность установки состоит в том, чтобы уменьшить потери в статорах электродвигателя, нежелательный нагрев агрегата.

Сетевые дроссели обладают достоинствами. Правильно выбранная индуктивность устройства позволяет обеспечить:

  • защиту преобразователя частоты от перепадов напряжения и асимметричности фаз;
  • скорость роста тока КЗ понижается;
  • увеличивается длительность «жизни» конденсаторов.

Можно представить конденсатор как блокиратор.  Поэтому в зависимости от способа подключения конденсатора, он может выступать в качестве:

  • низкочастотного, если подключить его параллельно к источнику;
  • высокочастотного, если подключить последовательно с источником.

В практических схемах может потребоваться резистор, чтобы ограничить электронный поток и достичь правильного отсечения частот.

2. Фильтры электромагнитного излучения (ЭМИ)

Вы используете ситечко для чая во время приготовления чая? Оно используются для предотвращения «нежелательных! элементов от входа в вашу систему. В электрических цепях есть множество подобных нежелательных явлений, которые появляются в различных частотах.

Электропривод в составе преобразователя частоты и электродвигателя, считается переменной нагрузкой. Эти аппараты и индуктивность проводоввызывают зарождение высокочастотных флуктуаций напряжения и, как следствие, электромагнитного излучения кабелей, что негативно сказывается на функционировании остальных устройств.

Каждому проводу присуще паразитная емкость. Она способствует стеканию на землю высокочастотных токов, которые вызываются токами утечки. Последние графически выглядят в виде коротких остроконечных импульсов. В электроустановке без выравнивания потенциала данные пики токов утечки вызывают всплески напряжения. Помимо этого, вокруг токов утечки образуются высокочастотные магнитные поля, индуцирующие шумы в петлях кабеля.

ЭМИ требуются для соблюдения электромагнитной совместимости при монтаже преобразователя частоты в местах, неблагоприятных с точки зрения появления сетевых всплесков. Трёхфазные ЭМИ способны существенно уменьшать помехи в заданном частотном диапазоне. Некоторые частотные преобразователи производятся со встроенными фильтрующими блоком, подавляющим паразитные колебания сети.

3. Дроссель du/dt

Это индуктор с двумя (или больше) обмотками, в котором течёт ток в противоположных направлениях. Использование этого устройства, состоящего из дросселя и конденсатора, имеет ряд преимуществ. Он более надежен и может применяться при самых низких рабочих температурах. Все это позволяет увеличить срок службы электродвигателя. Низкая индуктивность и малый размер также являются его ключевыми особенностями.

Сетевой фильтр

Применяются в тех случаях, когда:

  • от частотного преобразователя  к электродвигателю протянуты кабели длиной до 15 м;
  • есть вероятность повреждение изоляции обмоток двигателя из-за пульсирующих скачков напряжения;
  • применяются старые агрегаты;
  • в системах с частым торможением;
  • агрессивность среды.

На довольно высоких частотах падение напряжения практически равняется нулю, и конденсатор ведет себя как разомкнутая цепь. Фильтпресс изготовлен в виде делителя напряжения с резистором и конденсатором. Он, по сути, применяется для того, чтобы уменьшить пропускную способность, нестабильность и исправить скорость нарастания Uвых.

Говоря простыми словами, обычный дроссель исходит от слова «душить». И до сих пор используется, потому что довольно точно описывает своё предназначение. Подумайте, как сжимается «кулак» вокруг провода, чтобы препятствовать резким изменениям тока.

4. Синусоидальные фильтры

Переменный электроток представляет собой волну, некую комбинацию синуса и косинуса. Различные синусоидальные волны имеют разные частоты. Если знать, какие частоты присутствуют, какие нужно передать или удалить, то в результате можно получить сочетание «полезных» волн, то есть без шума. Это помогает в некоторой степени очистить токовый сигнал. Синусоидальный фильтр – это комбинация емкостных и индуктивных элементов.

Одной из мер по обеспечению электромагнитной совместимости является применение синусоидального аппарата, это бывает необходимо:

  • при групповом приводе с одним преобразователем;
  • при эксплуатации с минимумом коммутационных соединений с кабелями (без экрана) электродвигателя (к примеру, подключение шлейфным способом или подвесным энергетическим подводом);
  • для уменьшения потерь на длинных кабелях.

Назначение устройства заключается в предотвращении повреждения изоляторов обмотки электродвигателя. Благодаря почти полному поглощению высоких импульсов, на выходе напряжение принимает синусную форму. Его правильная установка – важный аспект для уменьшения уровня помех в сети и, следовательно, излучения. Это позволяет применять длинный провод и способствует снижению шумового уровня. Низкая индуктивность также означает меньший размер и более низкую цену. Устройства сконструированы по методу на фильтрации dU/dt с отличием в большую сторону по величине номинала элементов.

5. Высокочастотные фильтры синфазных помех

Экранированным кабелям свойственна паразитная емкость. При неблагоприятных обстоятельствах экранирование выходной кабельной линии приводит к ослаблению помехоустойчивости из-за образующихся токов утечки с их высокочастотными составляющими.  Удаление нежелательных явлений осуществляется с помощью фильтрации на выходе. Некоторые электронные приборы чувствительны к наличию гармоник в напряжении питания, поэтому требуют регулирования мощности для нормальной работы.

Если искаженная синусоида напряжения ведет себя как ряд гармонических сигналов добавленных к основной частоте, то фильтрующая схема позволяет пропускать только основную частоту, блокируя ненужные высшие гармоники. Входной аппарат фильтрации предназначается для подавления высокочастотного шума.

Приборы отличаются от выше рассмотренных более сложной конструкцией. Важнейшим способом снижения шумов служит соответствие требуемым правилам заземления в электрическом шкафу.

Как правильно выбрать входной и выходной фильтр ЭМС

Их отличительные достоинства заключаются в высоком помехопоглащающем коэффициенте. ЭМС применяются в устройствах с импульсными источниками питания. Стоит придерживаться требований инструкций по конкретной схеме управления асинхронных двигателей. Существуют общие принципы, определяющие правильность выбора.

Необходимо обратить внимание, что выбранная модель должна соответствовать:

  • параметрам частотного преобразователя и сети питания;
  • уровню снижения помех до требуемых пределов;
  • частотным параметрам электрических цепей и установок;
  • особенностям эксплуатации электрооборудования;
  • возможностямэлектромонтажа модели в систему управления и т. д.

Самый простой способ повысить качество электрической сети – это предпринять меры на стадии проектирования. Самое интересное, что при необоснованном отклонении от проектных решений вина полностью ложится на плечи электромонтажников.

Правильное решение по выбору типа частотного преобразователя, в совокупности с подходящей фильтровой аппаратурой, предотвращает возникновение большинства проблем для функционирования силового привода.

Обеспечение хорошей совместимости получается при правильном подборе параметров компонентов. Некорректное применение приборов может увеличить уровень помех. В реалии, входные и выходные фильтры иногда негативно влияют друг на друга. Это, особенно, касается случая, когда входной прибор встроен в частотный преобразователь. Выбор фильтрующего прибора к конкретному преобразователю осуществляется по техническим параметрам и лучше по компетентной рекомендации специалиста. Профессиональная консультация, возможно, принесёт вам существенную выгоду, так как дорогостоящей аппаратуре на самом деле всегда подбирается качественный недорогой аналог. Либо же она не действует в нужном частотном диапазоне.

Заключение

Электромагнитное воздействие влияет на оборудование, главным образом, на высоких частотах. Это означает, что правильная работа системы будет достигнута лишь тогда, когда соблюдаются правила электромонтажа и производственно-технические требования, а также выполняются требования к высокочастотному оборудованию (к примеру, экранирование, заземление, фильтрация).

Стоит заметить, что меры по повышению помехоустойчивости – это комплекс мероприятий. Использование лишь одних фильтров не решит проблему. Однако это наиболее эффективный способ удаления либо довольно значимого уменьшения вредоносных помех для нормальной электромагнитной совместимости электронной техники. Нельзя забывать также о том, что подходит или нет конкретная модель для решения задачи – определяется «на месте» либо путём эксперимента и тестирования.