Параметры электрической сети не всегда соответствуют современным требованиям и существующим нормативным документам. В реальности сеть сильно отличается от идеальной. Влияние всевозможных факторов отражается на качестве электроэнергии. Из-за несоответствия нормам возникает повышенное или пониженное напряжение, всплеск либо провал напряжения, искажение синусоидальной формы напряжения. Такие явления отрицательно сказываются на подключенных электропотребителях, нарушают их нормальное функционирование, иногда даже выводят их из строя.
В связи с нарастающим техническим прогрессом, образуется все большая и большая концентрация электрических и электронных компонентов на очень маленькой площади. Поэтому это приводит к увеличению опасности взаимовлияния и связанного с этим нарушения работы оборудования.
Электромагнитное воздействие отрицательно сказывается, преимущественно, на высоких частотах. Это значит, что правильная работа установки возможна только в том случае, когда монтаж соответствует техническим требованиям, то есть выполняются меры предупреждения:
- заземление,
- экранирование,
- фильтрация.
Бесперебойная эксплуатация установки возможна при соблюдении условий: соразмерная минимальная помехозащищенность и ограниченное излучение помех используемых компонентов.
Причины высокочастотных помех
Отчего появляются высокочастотные помехи в установке, работающей лишь с постоянным или с переменным напряжением сети? Все дело в том, что различные формы сигналов имеют свои частотные спектры. Каждому несинусоидальному сигналу свойственно содержать, помимо своей основной частоты, еще и её кратные производные, которые именуются высшими гармониками. В общей сложности, чем быстрее меняется амплитуда сигнала, тем выше высокочастотные гармоники этого сигнала.
Это значит, что каждый процесс коммутации приводит к возникновению высокочастотных сигналов, которые становятся причиной помех. Границы частоты коммутации определяются исходя из расчётных потерь при коммутации, так как их возрастание связано пропорциональной зависимостью с частотой. И не только. Определенная частота коммутации, время переключения находятся при достижении некоего компромисса между требованиями, установленными для работы, к потерям при коммутации, рассеиванию мощности и соблюдением условий электромагнитной совместимости (ЭМС).
Как уменьшить влияние гармонических помех преобразователей частоты до допустимого уровня? Решения существуют, но их сложность и объём зависят от уровня вносимых частными преобразователями помех. Основным показателем качества электрической энергии значится коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения.
При незначительном увеличении этого коэффициента до 8–10% достаточно установки перед преобразователем частоты линейных дросселей либо дросселей постоянного тока. При этом проводится соответствующий расчёт эффективности от установки фильтрующих аппаратов.
Если же гармонические искажения превышают гораздо больше (более 10%), тогда необходимо тщательно проанализировать распределение энергии высокочастотных гармоник с применением измерителя нелинейных искажений или анализатора качества электроэнергии. Исходя из полученных результатов, принимаются технические решения, направленные на:
- снижение какой-либо преобладающей гармоники – с использованием пассивных резонансных фильтров;
- на подавление помех во всем спектре – с применением активных фильтров гармоник.
Влияние помех на приводное оборудование
В промышленности большая часть электропотребления приходится на вентиляторы, насосы, компрессоры, конвейеры и лебёдки, приводы технологических установок. Механическая часть всего этого хозяйства приводится в действие асинхронными двигателями переменного тока. Режимное управление работы асинхронных двигателей, включая сокращение потребления ими электроэнергии, осуществляется с помощью специализированных устройств – преобразователей частоты. Польза их заключается в значительном облегчении пусковых режимов и работы непосредственно асинхронных двигателей. Однако иногда частотные преобразователи оказывают и нежелательное влияние на двигатель.
В виду особенной конструкции преобразователя частоты, его напряжение и ток на выходе имеют форму всплеска с огромным числом помех. Выпрямитель преобразовательного устройства, потребляя нелинейный ток, создаёт высшие гармоники, тем самым загрязняя электрическую сеть. Инвертор частотного преобразователя (ШИМ) – генерирует широкий спектр высокочастотных гармоник.
Электропитание обмоток двигателя таким нестандартным током подчас доводит до теплового и электрического пробоя изоляции обмоток двигателя, износу изоляции, увеличению степени акустических шумов работающего мотора, эрозии подшипников. Помимо этого, частотные преобразователи источают помехи в электрической сети, что оказывает отрицательное воздействие на остальное электрооборудование, питающееся от этой же электросети. Для уменьшения неблагоприятного влияния гармонических искажений, создаваемых преобразователем частоты в процессе работы, на электросеть, для двигателя и самого преобразователя частоты используется фильтрация.
Предназначение фильтров ЭМС для частотных преобразователей
Частотный преобразователь создаёт сильные помехи, и их требуется свести к минимуму при комплектации монтаже, установке и эксплуатации электрического привода.
Преобразователи частоты неминуемо создают помехи, они являются основными источниками и виновниками больших скачков напряжения. Для нормальной работы приводной техники это оборачивается такими негативными явлениями, как:
- избыточная энергия, передающаяся по проводу и называемая наведёнными помехами;
- воздействие электромагнитных волн, то есть паразитное электромагнитное излучение.
Для всех этих негативных помех соответствует свой высокочастотный диапазон. Радиочастотные помехи также считаются частью электромагнитных помех, влияющих особенно на средства связи. Защитой от помех является фильтрация. ЭМС-фильтры обеспечивают соблюдение норм по электромагнитной совместимости и защищают от токов утечки, вызванных емкостью проводников. В совокупности с экранированным кабелем двигателя достигается нормальная работа техники.
Выходные ЭМС-фильтры для частотных преобразователей
ЭМС-фильтры делятся на активные и пассивные. И в тех и других присутствуют катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы. Отличие заключается в том, что в активных фильтрах применяются:
- нелинейные элементы;
- обратная отрицательная связь, то есть часть выходного сигнала подается на вход усилителя в противофазе.
Помимо этого, разумеется, активным фильтрам требуется питание. А, главное, они намного эффективнее, чем пассивные фильтрующие средства.
Сетевой дроссель
Совместное применение преобразователя частоты с сетевым дросселем позволяет достичь большей мощности промежуточных звеньев. Сетевой дроссель сокращает помехи тока, что соответствует нормам ЭМС для сетей.
Фильтр dU/dt
Крутизна выходной характеристики преобразовательного устройства в совокупности с длинным кабелем двигателя зачастую приводит к переходным процессам, способствующим перенапряжению на клеммах агрегата. С помощью установки фильтра dU/dt на выходе преобразователя удается подавить это отклонение, а также сократить токи утечки в моторном кабеле.
Синусные фильтры
По виду синусные фильтры напоминают конструкцию фильтров dU/dt. Отличие заключается только в том, что в них используются дроссели и конденсаторы с большими номинальными параметрами. Это обеспечивает более эффективный способ борьбы с помехами высоких частот. Габариты синусных фильтров сравнимы с габаритами преобразователя частоты, которому данный фильтр предназначен. Синусные фильтры дают возможность применять моторные кабели необходимой длины тогда, когда мотор установлен вдали от преобразователя частоты.
Ферритовый фильтр
Ферритовые кольца – это пассивный способ борьбы с синфазными помехами. Когда стоит задуматься о пассивных способах борьбы с помехами? Тогда, когда требуется наличие:
- любой конструкции, в которой длина проводов как силовых, так и сигнальных большая (от 30–40 см) и при этом нет экранов в виде алюминиевых или карбоновых лучей, экранированного кабеля;
- длинных слаботочных цепей;
- мощной передающей аппаратуры (600–800 МВт и более).
Ферритовые кольца фильтра синфазных помех обладают овальной формой для простоты монтажа. Через отверстие в кольце продеваются все три фазные жилы моторного кабеля.
ЭМИ-фильтры
ЭМИ-фильтры являются обязательным элементом для эффективной работы импульсного преобразователя, применяются для уменьшения электромагнитных помех.
Электромагнитная совместимость частотных преобразователей
Электромагнитная совместимость технических средств — это нормальная (с требуемым качеством) работоспособность технического оборудования в реальной окружающей обстановке несмотря на непреднамеренное воздействие электромагнитных помех и способность не создавать недопустимых помех другой технике.
Все модели векторных преобразователей частоты оснащаются сетевыми фильтрами, чем обеспечивается необходимый уровень ЭМС. Фильтры допускается не применять в диапазоне до 30 кВт. Все преобразователи частоты большей мощности снабжаются встроенными фильтрами по умолчанию. Встроенный фильтр даёт возможность доводить до минимума наводки и помехи в электронной технике.
