Выбор сетевых дросселей и выходных фильтров для частотно-регулируемых приводов

Установка ПЧ может столкнуться с двумя различными электрическими проблемами, которые часто объединяют под словом «помехи». Со стороны питания выпрямитель привода потребляет несинусоидальный ток и может влиять на вышестоящую сеть. Со стороны двигателя быстрые фронты напряжения ШИМ проходят по кабелю и могут создавать нагрузку на изоляцию, подшипники и расположенную поблизости сигнальную проводку. Поэтому реактор или фильтр необходимо выбирать с учётом стороны привода и измеряемой проблемы.

Разделяйте сетевую сторону и сторону нагрузки

Входной сетевой реактор представляет собой последовательную катушку индуктивности, устанавливаемую перед ПЧ. Его импеданс ограничивает скорость изменения тока. Он может смягчать помехи в сети, снижать пиковые токи и добавлять полезный импеданс, если силовой трансформатор имеет низкий импеданс по отношению к приводу. Однако реактор также вызывает падение напряжения и выделение тепла, поэтому его не следует считать универсальным решением.

Выходной реактор устанавливается между инвертором и двигателем. Он воздействует на выходящий из привода сигнал ШИМ. Его назначение отличается от назначения входного реактора: он может снижать пиковый ток, уменьшать скорость нарастания напряжения и помогать в некоторых системах с кабелем двигателя. Достаточность такого решения зависит от напряжения привода, частоты коммутации, изоляции двигателя, типа и длины кабеля, а также ограничений производителя ПЧ.

Фильтр гармоник устанавливается на входе и предназначен для подавления низших гармоник тока. Фильтр dV/dt или синус-фильтр устанавливается на выходе. Фильтр dV/dt уменьшает крутизну фронтов и амплитуду импульсов напряжения. Синус-фильтр более эффективно подавляет высокочастотные составляющие выходного сигнала и подаёт на двигатель сигнал, более близкий к синусоидальному. Эти устройства не взаимозаменяемы.

Что может и чего не может входной реактор

Шестипульсный привод заряжает шину постоянного тока через диодный выпрямитель. Ток потребляется импульсами вблизи пиков переменного напряжения. Добавление сетевой индуктивности переменного тока или использование привода с дросселем постоянного тока растягивает эти импульсы и может снизить суммарный коэффициент гармонических искажений тока. В своих рекомендациях по снижению гармоник ABB отделяет это умеренное улучшение от результата, который дают настроенный пассивный фильтр или привод с активным входным выпрямителем.

Реактор также обеспечивает определённую изоляцию от провалов напряжения и переходных процессов в сети. Однако он не является устройством защиты от импульсных перенапряжений и не ограничивает напряжение так, как УЗИП. Он не способен устранить все проблемы с качеством электроэнергии. Значительный дисбаланс напряжений, повторяющиеся просадки, резонанс или слабый источник питания от генератора требуют системного анализа.

Перед выбором реактора зафиксируйте номинальные параметры и импеданс трансформатора, доступный ток короткого замыкания, входной ток привода, установленные конденсаторы, работу от генератора и измеренный спектр гармоник. Одна лишь маркировка процентного импеданса не доказывает, что готовая установка будет соответствовать допустимому уровню гармоник.

Выбор решения для выходной стороны

Инвертор формирует импульсы напряжения с быстрыми фронтами. На зажимах двигателя импеданс кабеля и эффекты отражённой волны могут повышать пиковое напряжение по сравнению со значением, наблюдаемым на приводе. Риск обычно возрастает с увеличением длины кабеля, напряжения, особенностей коммутации и ухудшением состояния изоляции двигателя. Универсального безопасного порога длины кабеля не существует.

Руководство по аппаратуре привода должно быть главным справочным документом. В нём должны быть указаны допустимая длина кабеля двигателя и случаи, когда требуются выходной реактор, фильтр dV/dt, фильтр синфазных помех, изолированный подшипник, заземляющая щётка или синус-фильтр. ABB отмечает, что синус-фильтры представляют собой НЧ-сети из реакторов и конденсаторов. Они подавляют высокочастотные составляющие выходного напряжения и применяются, например, при использовании очень длинных кабелей двигателя, повышающих трансформаторов или двигателей старых моделей.

Синус-фильтр также может устанавливать ограничения на выходную частоту, частоту коммутации, конфигурацию кабелей или мощность привода. Его конденсаторы потребляют ток даже при небольшой механической нагрузке. Рассматривайте привод, фильтр, кабель и двигатель как единую спроектированную систему.

Практический алгоритм выбора

1. Определите симптом

Не начинайте с выбора компонента. Сначала определите, связана ли проблема с искажением входного тока, ложными срабатываниями по перенапряжению, пиковым напряжением на зажимах двигателя, токами подшипников, кондуктивными электромагнитными помехами, излучаемыми помехами или слышимым шумом двигателя. Один дополнительный компонент редко устраняет все эти проблемы.

2. Выполните измерения в правильных точках

Для анализа гармоник сети регистрируйте напряжение и ток в точке общего присоединения при характерной нагрузке. Для выходных проблем используйте приборы и пробники, рассчитанные на сигналы ШИМ-привода. Обычный мультиметр не покажет время нарастания или пики отражённых волн.

3. Проверьте совместимость, указанную производителем

Убедитесь, что реактор или фильтр одобрен для конкретной серии привода, класса напряжения, длительного тока, режима перегрузки и выходной частоты. Соблюдайте требования к корпусу, вентиляции, проводникам, заземлению и расстояниям. Также проверьте изоляцию двигателя и схему подшипников.

4. Смоделируйте предельные режимы работы

Проверьте малую и большую нагрузку, работу в обход привода, режимы рекуперации, питание от генератора, длинные кабельные линии, несколько двигателей и коммутацию конденсаторов. ABB предупреждает, что пассивные фильтры гармоник при малой нагрузке могут создавать опережающий коэффициент мощности и взаимодействовать с другими конденсаторами через резонанс.

5. Выполните пусконаладку на основе измерений

Запишите напряжение сети, фазный ток, поведение шины постоянного тока, форму сигнала на зажимах двигателя, если это необходимо, температуру фильтра, аварийные сигналы привода и исходный уровень вибрации. Повторите измерения после достижения машиной нормального теплового состояния. Храните эти записи вместе с параметрами привода и однолинейной схемой.

Детали монтажа, определяющие результат

Устанавливайте входные компоненты в соответствии со схемами привода и фильтра. Не допускайте ошибочной установки пассивного входного фильтра гармоник на выходе; ABB прямо указывает на это как на риск, связанный с координацией работ на объекте. Если это требуется производителем, минимизируйте длину проводников между выходным фильтром и приводом. Прокладывайте кабели двигателя вдали от низкоуровневых аналоговых, энкодерных и коммуникационных кабелей.

Обеспечьте непрерывное защитное соединение и оконцовывайте экранированный кабель двигателя согласно требованиям. Фильтры не компенсируют плохое заземление или неконтролируемую прокладку кабелей. Контролируйте температуру поверхности реактора и фильтра, поскольку оба устройства увеличивают тепловые потери внутри шкафа.

Инженерные границы

Реакторы являются устройствами с полезным импедансом, а фильтры — частотно-селективными сетями. Их ценность определяется соответствием устройства измеренному физическому механизму проблемы. Для выбора сопутствующего оборудования ознакомьтесь с нашей коллекцией ПЧ и приводов переменного тока и более широким ассортиментом приводов и систем управления движением. Техническая заметка ABB по снижению гармоник и рекомендации по фильтрам для ACQ580 содержат полезную информацию от производителя. Окончательный выбор всё равно должен соответствовать руководствам для установленного привода и двигателя.