Фильтр для асинхронных двигателей
В. ВОЛОДИН, г. Одесса, Украина
В быту нередко возникает необходимость питать электроприборы от аккумуляторной батареи через преобразователь постоянного напряжения в переменное.
Большинство приборов, рассчитанных на напряжение синусоидальной формы, вполне нормально работает и от генерируемых подобными преобразователями прямоугольных импульсов. К сожалению, к их числу не относятся асинхронные электродвигатели, например, приводящие в действие циркуляционные насосы систем отопления. Значительная доля гармонических составляющих, которыми богато несинусоидальное напряжение, в подобных двигателях бесполезно превращается в тепло, остальные — нарушают равномерность вращения магнитного поля. Чтобы подавить гармоники, необходим фильтр, схему и методику расчета которого предлагает автор публикуемой статьи.
Для питания асинхронного электродвигателя от источника напряжения прямоугольной формы наилучшим образом подходит фильтр, схема которого показана на рис. 1.
Он передает в нагрузку первую гармонику практически без ослабления, достаточно сильно ослабляя высшие. Эквивалентная схема фильтра, нагруженного на электродвигатель, показана на рис. 2.
Двигатель представлен параллельным соединением активного сопротивления Rд и собственной индуктивности Lд. Учтено также R1 — активное сопротивление катушки индуктивности (дросселя) L1.
Оба колебательных контура — последовательный L1C1 и параллельный LдC2 — настроены на частоту повторения импульсов входного напряжения.
Рассчитаем элементы фильтра, предназначенного для асинхронного двигателя, на шильдике которого приведены следующие параметры: напряжение U — 220 В, частота F — 50 Гц, мощность Р — 75 Вт, cos(фи) — 0,6.
Для дальнейших расчетов потребуются также значение круговой частоты
Предположим, что в качестве L1 в фильтре установлен дроссель от светильника с лампами дневного света мощностью 80 Вт. На шильдике дросселя можно найти следующие данные: напряжение питания U — 220 В, частота F — 50 Гц, номинальный рабочий ток Iн— 0,84 A, cos(фи)— 0,5
При резонансе в контуре LдС2 реактивная составляющая тока двигателя скомпенсирована током конденсатора С2. Активная составляющая тока двигателя (0,341 А), протекающая через дроссель, значительно меньше 0,84 А, поэтому температурный режим дросселя не вызывает опасений.
Мощность, потребляемая светильником от сети, равна
Рсв = UIнcos(фи) = 220 • 0,84• 0,5 = 92,4 Вт,
из которых 80 приходится на его лампу, а остальные 12,4 рассеивает R1 — активное сопротивление дросселя. Активное сопротивление всего светильника Rcв = U/Iн • cos(фи) = 220/(0,84 • 0,5) = 131 Ом распределяется между лампой и дросселем в той же пропорции, что и мощность, поэтому R1 =Rсв(12,4/92,4) = 131•0,134 =17,6 Ом.
Индуктивное сопротивление светильника Хсв = U/Iн • sin(фи) = (220/0,84) • 0,866 =227 Ом может быть полностью отнесено к дросселю, индуктивность которого
Учитывая равенство реактивных сопротивлений дросселя L1 и конденсатора С1 при резонансе, подсчитаем амплитуду напряжения на конденсаторе во время работы двигателя:
Umc1 = 1,41ХсвIн = 1,41 • 227 • 0,341 = 88 В.
Однако в пусковом режиме потребляемый двигателем и протекающий через конденсатор С1 ток многократно возрастает. Пропорционально току растет и напряжение. Поэтому выбирать этот конденсатор следует с допустимым напряжением, превышающим рассчитанное выше в десять и более раз.
Коэффициенты подавления фильтром гармоник входного импульсного напряжения можно подсчитать по формуле, полученной из приведенной в [1]:
При найденных выше значениях L1 и Lд третья гармоника (частота 150 Гц) будет подавлена в 3,4, пятая (250 Гц) — в 11, седьмая (350 Гц) — в 22,5 и девятая (450 Гц) — в 37,8 раза. Гармоники с четными номерами во входном напряжении формы, показанной на рис. 3
(кривая 1), отсутствуют, и рассчитывать коэффициенты их подавления нет смысла.
Амплитуда первой гармоники входного напряжения (кривая 2 на рис. 3) — Um1 = 1,27Um, , где Um — амплитуда импульсов. Коэффициент 1,27 для импульсов другой формы будет иным, его значения можно найти, например, в [2]. Действующее напряжение первой гармоники U1 =0,707Um1 = 0,9Um, откуда Um = 1,1U1. Напряжение на выходе фильтра меньше на величину падения на активном сопротивлении дросселя, поэтому для работы двигателя в номинальном режиме преобразователь должен генерировать прямоугольные импульсы («меандр») амплитудой Um = 1,1 • U1 • Rд/(Rд + R1) = 1,1 • 220 • •645/(645+ 17,6) = 236 В.
Правильность расчетов проверена компьютерным моделированием разработанного фильтра с помощью программы Electronics Workbench. Полученный на модели график выходного напряжения (см. кривую 3 на рис. 3) из-за присутствия в нем не до конца подавленных высших гармоник отличается от синусоиды и соответствует реально наблюдаемому на экране осциллографа при работе электродвигателя с фильтром.
В изготовленном фильтре в качестве С1 и С2 были применены группы соединенных параллельно для получения нужной емкости конденсаторов КБГ-МН, МБГЧ, МБГП, МБМ на напряжение не менее 1000 В (С1) и не менее 400 В (С2). Дроссель от люминесцентного светильника можно заменить любым другим близкой индуктивности, способным выдержать без перегрева потребляемый двигателем ток. Самодельный дроссель мотают на стальном магнитопроводе УШ 16×30. Его обмотка — 870 витков провода ПЭВ-2 0,3.
Практика показала, что фильтр требует настройки, причем его последовательную и параллельную ветви лучше настраивать независимо. Для этого потребуются лампа накаливания 220 В, 75 Вт и вольтметр переменного тока. В качестве «источника сигнала», соблюдая все необходимые меры предосторожности, можно воспользоваться электросетью.
Последовательный контур L1C1 настраивают по схеме, показанной на рис. 4.
Лампа EL1 служит эквивалентом нагрузки и одновременно — индикатором настройки. Исходную емкость конденсатора С1 берут немного меньше расчетной. Ее постепенно увеличивают, подключая параллельно основному дополнительные конденсаторы меньшей емкости. Цель — добиться наибольшей яркости свечения лампы или минимальных показаний вольтметра.
Параллельный контур настраивают по схеме, показанной на рис. 5, добиваясь наименьшей яркости свечения лампы или максимальных показаний вольтметра. Во время настройки вал двигателя должен вращаться без механической нагрузки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чаки Ф. и др. Силовая электроника. — М.: Энергоиздат, 1982.
2. Бессонов Л. Теоретические основы электротехники. — М.: Высшая школа, 1973.
Входные и выходные фильтры для частотного преобразователя — назначение, принцип действия, подключение, особенности
Частотные преобразователи, как и многие другие электронные преобразователи с питанием от сети переменного тока с частотой 50 Гц, в силу одного лишь своего устройства искажают форму потребляемого тока: ток не линейно зависит от напряжения, поскольку выпрямитель на входе устройства стоит, как правило, обычный, то есть неуправляемый. Так же и выходные ток и напряжение преобразователя частоты — они тоже отличаются искаженной формой, наличием множества гармоник из-за работы ШИМ-инвертора.
В итоге, в процессе регулярного питания статора двигателя таким искаженным током, его изоляция быстрее стареет, подшипники портятся, шум двигателя усиливается, растет вероятность тепловых и электрических пробоев обмоток. А для сети, питающей частотный преобразователь, такое положение дел всегда чревато наличием помех, которые способны навредить другому оборудованию, питающемуся от этой же сети.
Для избавления от выше описанных проблем, к частотным преобразователям и двигателям устанавливают дополнительно входные и выходные фильтры, спасающие от вредных факторов и саму питающую сеть, и питаемый данным частотным преобразователем двигатель.
Входные фильтры призваны подавлять помехи генерируемые выпрямителем и ШИМ-инвертором преобразователя частоты, защищая таким образом сеть, а выходные фильтры — защищают сам двигатель от помех генерируемых ШИМ-инвертором частотного преобразователя. Входные фильтры — это дроссели и ЭМИ-фильтры, а выходные — это фильтры синфазные, моторные дроссели, синус-фильтры и фильтры dU/dt.
Дроссель, включаемый между сетью и частотным преобразователем, — это сетевой дроссель, он служит своего рода буфером. Сетевой дроссель не пускает от преобразователя частоты в сеть высшие гармоники (250, 350, 550 Гц и далее), одновременно защищая сам преобразователь от скачков напряжения в сети, от токовых бросков во время переходных процессов в преобразователе частоты и т. д.
Падение напряжения на таком дросселе составляет порядка 2%, что оптимально для нормальной работы дросселя в сочетании с преобразователем частоты без функции регенерации электроэнергии в момент торможения двигателя.
Так, сетевые дроссели устанавливают между сетью и преобразователем частоты при следующих условиях: при наличии помех в сети (по разным причинам); при перекосе фаз; при питании от сравнительно мощного (до 10 раз) трансформатора; если от одного источника питаются несколько преобразователей частоты; если к сети подключены конденсаторы установки КРМ.
Сетевой дроссель обеспечивает:
защиту преобразователя частоты от скачков сетевого напряжения и перекоса фаз;
защиту цепей от больших токов КЗ в двигателе;
продление срока службы преобразователя частоты.
В силу того, что двигатель, питаемый от преобразователя частоты, является по сути переменной нагрузкой, его работа связана с неминуемым появлением в сетевом напряжении высокочастотных импульсов, флуктуаций, способствующих генерации паразитного электромагнитного излучения от силовых кабелей, особенно если данные кабели отличаются значительной протяженностью. Такие излучения могут повредить некоторые приборы, установленные неподалеку.
Для устранения излучений, для обеспечения электромагнитной совместимости с чувствительными к излучениям приборами, как раз и необходим фильтр ЭМИ.
Трехфазный фильтр электромагнитных излучений призван подавить помехи в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц по принципу клетки Фарадея. ЭМИ-фильтр присоединяется по возможности как можно ближе к входу преобразователя частоты, чтобы обеспечить окружающим приборам надежную защиту от всех помех, создаваемых ШИМ-инвртором. Иногда ЭМИ-фильтр уже встроен в преобразователь частоты.
Так называемый фильтр dU/dt — это трехфазный Г-образный фильтр нижних частот, состоящий из цепочек индуктивностей и конденсаторов. Такой фильтр еще называют моторным дросселем, и часто он может вообще не иметь конденсаторов, а индуктивности при этом будут значительными. Параметры фильтра таковы, что все помехи на частотах выше частоты переключения ключей ШИМ-инвертора частотного преобразователя подавляются.
Если в составе фильтра имеются конденсаторы, то величина емкости каждого из них находится в пределах нескольких десятков нанофарад, а величины индуктивностей — до нескольких сотен микрогенри. В итоге данный фильтр понижает пиковое напряжение и импульсы на клеммах трехфазного двигателя до 500 В/мкс, что спасает обмотки статора от пробоя.
Итак, если привод испытывает частые рекуперативные торможения, изначально не приспособлен для работы с частотным преобразователем, имеет низкий класс изоляции или короткий моторный кабель, установлен в агрессивной рабочей среде или используется при напряжении 690 вольт, — фильтр dU/dt между частотным преобразователем и двигателем рекомендуется установить.
Даже несмотря на то, что напряжение, подаваемое на двигатель от преобразователя частоты, может иметь форму двуполярных прямоугольных импульсов, а не форму чистой синусоиды, фильтр dU/dt (со своими небольшими емкостью и индуктивностью) так действует на ток, что делает его в обмотках двигателя почти точно синусоидальным. Важно понимать, что если использовать фильтр dU/dt на частоте выше его номинала, то фильтр станет испытывать перегрев, то есть принесет лишние потери.
Синус-фильтр (синусный фильтр)
Синусный фильтр — подобие моторного дросселя или dU/dt-фильтра, отличие однако заключается в том, что емкости и индуктивности имеют здесь большие величины, такие, что частота среза составляет менее половины частоты коммутации ключей ШИМ-инвертора. Таким образом достигается лучшее сглаживание помех высоких частот, а форма напряжения на обмотках двигателя и форма тока в них, оказывается сильно ближе к идеальной синусоидальной.
Емкости конденсаторов в синус-фильтре измеряются десятками и сотнями микрофарад, а индуктивности катушек — единицами и десятками миллигенри. Синусный фильтр отличается поэтому крупным размером, по сравнению с габаритами традиционного частотного преобразователя.
Применение синусного фильтра позволяет использовать совместно с частотным преобразователем даже двигатель, изначально (по спецификации) не предназначенный для работы с частотным преобразователем по причине слабой изоляции. При этом не будет наблюдаться ни повышенного шума, ни быстрого износа подшипников, ни перегрева обмоток высокочастотными токами.
Появляется возможность без вреда использовать длинный кабель, соединяющий двигатель с преобразователем частоты, когда они расположены далеко друг от друга, при этом исключаются импульсные отражения в кабеле, могущие привести к потерям в форме тепла в преобразователе частоты.
Итак, синусный фильтр рекомендуется устанавливать в условиях, когда:
необходимо снизить шум; если двигатель имеет слабую изоляцию;
испытывает частые рекуперативные торможения;
работает в условиях агрессивной среды; подключен кабелем длиной более 150 метров;
должен работать долго без обслуживания;
в процессе работы двигателя напряжение пошагово повышается;
номинальное рабочее напряжение двигателя составляет 690 вольт.
При этом следует помнить, что синусный фильтр нельзя использовать с частотой ниже его паспортного номинала (максимально допустимое отклонение частоты вниз — 20%), так что в настройках частотного преобразователя необходимо предварительно задать ограничение частоты снизу. А частоту выше 70 Гц нужно применять с большой осторожностью, и в настройках преобразователя, если это возможно, задать предварительно величины емкости и индуктивности подключаемого синусного фильтра.
Помните, что сам фильтр может шуметь и выделять ощутимое количество тела, ведь на нем даже при номинальной нагрузке падает порядка 30 вольт, поэтому фильтр следует устанавливать с соблюдением надлежащих условий охлаждения.
Все дроссели и фильтры необходимо соединять последовательно с двигателем экранированным кабелем по возможности минимальной длины. Так, для двигателя мощностью 7,5 кВт максимальная длина экранированного кабеля не должна превышать 2 метров.
Синфазный фильтр — сердечник
Синфазные фильтры предназначены для подавления высокочастотных помех. Данный фильтр представляют собой дифференциальный трансформатор на ферритовом кольце (точнее — на овале), обмотками которого являются непосредственно трехфазные провода, соединяющие двигатель с частотным преобразователем.
Данный фильтр служит для снижения синфазных токов, порождаемых разрядами в подшипниках мотора. Как следствие, синфазный фильтр снижает возможные электромагнитные излучения от моторного кабеля, особенно если кабель этот не экранированный. Провода трех фаз проходят через окно сердечника, а защитный провод заземления остается снаружи.
Сердечник фиксируется на кабеле хомутом для защиты от разрушительного воздействия вибрации на феррит (во время работы двигателя ферритовый сердечник вибрирует). Фильтр лучше всего устанавливать на кабель со стороны клемм преобразователя частоты. Если сердечник в процессе эксплуатации нагревается более чем до 70°C, то это говорит о насыщении феррита, значит нужно добавить сердечников либо укоротить кабель. Несколько параллельных трехфазных кабелей лучше оснастить каждый — своим сердечником.
