Аксессуары для преобразователей частоты: зачем они нужны и когда применяются

В статье разбираются ситуации и особенности применения аксессуаров Optimus Drive для преобразователей частоты: тормозных модулей и тормозных резисторов, сетевых и моторных дросселей, синусных фильтров и фильтров ЭМС.

Аксессуары для преобразователей частоты: зачем они нужны и когда применяются

Эффективное, безопасное применение преобразователей частоты (ПЧ) и повышение их эксплуатационных свойств в составе частотно-регулируемого привода (ЧРП) предполагает использование в системе определённых дополнительных устройств в зависимости от требований к технологическому процессу. Эти опции призваны обеспечить защиту оборудования, надёжность, а также электромагнитную совместимость в соответствии с международным стандартом IEC 61800-3-2022.

В номенклатуре Optimus Drive представлен весь спектр необходимых аксессуаров: тормозные резисторы и тормозные модули, сетевые и моторные дроссели, синус-фильтры и фильтры ЭМС. Их использование не всегда обязательно, но в ряде условий может стать принципиально важным. Далее разберём каждую категорию более подробно.

Тормозные модули и тормозные резисторы

Как известно, при рекуперативном торможении асинхронный двигатель переходит в генераторный режим, когда скорость вращения ротора превышает синхронную скорость (скольжение становится отрицательным), в результате чего энергия возвращается в звено постоянного тока (ЗПТ) преобразователя частоты. Это приводит к повышению напряжения на шине постоянного тока, что при определённых условиях может вызвать срабатывание защиты по перенапряжению. В зависимости от режима работы и конструкции привода избыточная энергия может рассеиваться во внутренних элементах системы, однако при неблагоприятных условиях её накопление способно привести к повреждению конденсаторов звена постоянного тока преобразователя.

Чтобы сбросить излишек энергии, к ЗПТ через электронный ключ (тормозной модуль) подключается тормозной резистор. Он представляет собой пассивный элемент, рассеивающий энергию в виде тепла. В зависимости от решаемых задач могут применяться резисторы в керамическом либо алюминиевом корпусе.

Керамический – самый распространённый вариант и настоящая электротехническая классика. По сути, это керамическая трубка, на которую радиально намотана резистивная проволока, покрытая термостойким составом. Отвод тепла в данном случае происходит в основном через излучение и конвекцию. Теплопроводность керамики значительно хуже, чем у алюминия, а при отсутствии радиатора теплоотдача в воздух крайне низка, и поэтому такой резистор сильно нагревается.

Резисторы в керамическом корпусе

Резисторы в керамическом корпусе способны выдерживать экстремальные температуры и хорошо подходят для нечастых и кратковременных пиковых перегрузок на умеренных мощностях. В силу конструктива они уязвимы к воздействию пыли и влаги, поэтому должны устанавливаться в чистом, защищённом и хорошо проветриваемом техническом шкафу.

Резистор в алюминиевом корпусе – более современное решение, где резистивный элемент заливается теплопроводящим компаундом внутри анодированного алюминиевого профиля с рёбрами, служащего радиатором. Поскольку алюминий отлично проводит тепло, этот вариант эффективнее справляется с высокими мощностями и тяжёлыми циклами пуска-останова. Кроме того, алюминиевый резистор компактнее керамического, может выпускаться в герметичном варианте со степенью защиты IP54 и устанавливаться вне шкафа, на улице или в запылённой и влажной среде.

Резистор в алюминиевом корпусе

Неотъемлемой частью системы рекуперации энергии при динамическом торможении служит тормозной модуль, или тормозной прерыватель. Это электронный ключ на базе IGBT-транзистора, который замыкает цепь сброса энергии на тормозной резистор в зависимости от напряжения в ЗПТ преобразователя частоты. У многих ПЧ малой и средней мощности имеется встроенный тормозной модуль (например, в преобразователях AD30 Optimus Drive), но, когда дело доходит до высоких мощностей, по экономическим соображениям прерыватели предлагаются в варианте выносного модуля.

Тормозные модули

Монтаж тормозного модуля в шкафу управления требует учёта его тепловыделения и организации достаточной вентиляции для поддержания допустимого температурного режима.

Тормозные резисторы и прерыватели необходимы для приводов с частыми пусками и остановами, а также для систем, где требуется безопасная управляемая остановка высокоинерционного механизма. Это относится к лифтам, кранам, центрифугам, дробилкам, конвейерам, металлообрабатывающим станкам и аналогичному оборудованию.

Сетевые и моторные дроссели

Силовая часть любого частотного преобразователя включает три главных узла: выпрямитель, звено постоянного тока и инвертор. Выпрямитель преобразует переменное напряжение питающей сети в постоянное напряжение. За сглаживание выпрямленного напряжения отвечают конденсаторы в цепи постоянного тока. Далее следует инвертор, формирующий переменное напряжение методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с заданной частотой. Ток же приобретает близкую к синусоидальной форму непосредственно в обмотках электродвигателя за счет их индуктивного сглаживающего эффекта.

Входной выпрямитель ПЧ является нелинейной нагрузкой и генерирует высшие гармоники тока, которые «загрязняют» питающую сеть.

Необходимо помнить, что и сеть бывает неидеальна – в ней могут происходить различные скачки напряжения и фазовые перекосы, обусловленные внешними факторами: грозами, резкими включениями мощных потребителей и т.д.

Негативное воздействие выходного ШИМ-напряжения ПЧ на электродвигатель проявляется в виде ускоренного старения изоляции обмоток под действием крутых фронтов импульсов (высокая скорость нарастания напряжения dU/dt). В длинных кабельных линиях это приводит к возникновению пиковых перенапряжений, способных вызвать пробой изоляции. Кроме того, импульсный характер выходного напряжения инвертора вызывает специфический акустический шум статора электродвигателя, а высокая частота коммутации транзисторов способствует протеканию ёмкостных подшипниковых токов, приводящих к электроэрозии подшипников. С другой стороны, генерируемые преобразователем помехи негативно влияют на смежное оборудование. Высокочастотные электромагнитные наводки нарушают работу чувствительных сигнальных и управляющих цепей, а низкочастотные гармоники тока искажают показания приборов учета электроэнергии.

Чтобы снизить эти негативные эффекты, между преобразователем и сетью, а также между преобразователем и двигателем, устанавливают специальные устройства. Простейшей их вариацией являются сетевые и моторные дроссели – катушки индуктивности, сопротивляющиеся любым резким изменениям тока.

Сетевой (входной) дроссель устанавливается между питающей сетью и преобразователем частоты, обеспечивая двунаправленную защиту системы:

• Защита питающей сети: дроссель значительно снижает амплитуду высших гармоник тока (прежде всего 5-й, 7-й и 11-й гармоник с частотами 250, 350 и 550 Гц соответственно), генерируемых входным нелинейным выпрямителем ПЧ, предотвращая искажение напряжения в точке общего подключения.
• Защита преобразователя частоты: устройство демпфирует (сглаживает) коммутационные всплески напряжения и броски тока, возникающие в питающей сети при грозовых разрядах или переключениях мощных нагрузок.

Высшие гармоники сильно вредят конденсаторам в ЗПТ преобразователя. Сопротивление конденсатора уменьшается с ростом частоты гармоники (чем выше порядок гармоники, тем меньше сопротивление). Поэтому конденсаторы перегружаются по току, перегреваются, быстрее стареют и выходят из строя. По данным мировой статистики на 2022 год, более 70% поломок конденсаторов на промышленных предприятиях случаются именно из за высших гармоник.

Сетевой дроссель

Резюмируя, сетевые дроссели обязательно ставить в случаях, когда:

• мощность питающей сети превышает 600 кВА или в 10 раз превосходит мощность преобразователя – для защиты конденсаторов от бросков тока;
• в питающей сети присутствуют конденсаторные компенсаторы реактивной мощности или тиристорные регуляторы. В этом случае в сети могут возникать пиковые перегрузки, способные повредить входной выпрямитель преобразователя;
• дисбаланс фазных напряжений в питающей сети превышает 3% – для компенсации несимметричного напряжения, принудительного выравнивания токов в фазах и разгрузки диодов;
• коэффициент мощности привода должен быть выше 90% – в этом случае сетевой дроссель может повысить cos φ на входе и разгрузить кабели питающей сети от реактивной составляющей;
• необходимо понизить уровень высокочастотных гармоник в потребляемом приводом токе и предупредить таким образом повреждение соседнего оборудования.

Моторный (выходной) дроссель ставят между преобразователем частоты и электродвигателем. Его задачей является снижение последствий широтно-импульсной модуляции (ШИМ) – прямоугольных импульсов с крутыми фронтами, которую генерирует инвертор ПЧ вместо чистой синусоиды.

Моторный дроссель

Применение моторных дросселей обязательно или же крайне рекомендовано, когда:

• длина кабеля между преобразователем и двигателем – 50-100 метров. Длинная линия формирует эффект «стоячей волны», напряжение скачкообразно возрастает и на обмотку двигателя приходит пиковое напряжение, в 2-2,5 раза превышающее номинальное. Это может привести к пробою межвитковой изоляции. Дроссель же сглаживает крутизну фронта импульса (снижает скорость нарастания напряжения dU/dt), оставляя напряжение на двигателе в безопасных пределах;
• используются двигатели старого образца или модели с дешёвой изоляцией. Даже при относительно коротком кабеле из-за некачественной изоляции может произойти пробой, за которым последует ремонт или даже замена электродвигателя целиком. Снижение пиковых амплитуд решает эту проблему;
• к одному преобразователю частоты подключено несколько двигателей. В таких схемах возможны неравномерное распределение токов, повышенные пусковые и переходные нагрузки, а также рост импульсных перенапряжений на выходе ПЧ. Это увеличивает нагрузку на выходной каскад преобразователя, может вызывать ложные срабатывания защиты и снижать надежность системы в целом;
• есть необходимость снижения нагрева двигателя из-за высокочастотных гармоник. Дроссель ослабляет высокочастотную составляющую тока и снижает скорость нарастания напряжения dU/dt;
• снижение радиопомех от кабеля. Наводки с силовой линии могут вызывать сбои и ошибки датчиков обратной связи, измерительных приборов, устройств, подключённых по промышленным интерфейсам. Дроссель снижает скорость нарастания напряжения dU/dt и ослабляет высокочастотные составляющие и улучшает электромагнитную обстановку для соседствующей электротехники.

Таким образом, сетевые и моторные дроссели — это простое и сравнительно недорогое решение, которое повышает надежность работы всей системы и помогает снизить риск отказов, ремонтов и простоев оборудования.

Синус-фильтры и фильтры ЭМС

Для особых ситуаций, когда на выходе ПЧ необходимо получить напряжение, близкое к синусоидальному с коэффициентом нелинейных искажений THD менее 5%, применяются синус-фильтры.

Синус-фильтр – пассивное устройство, представляющее собой LC- фильтр – простую электрическую цепь, которая состоит из катушки индуктивности и конденсаторов с частотой резонанса менее 50% от частоты коммутации. Это полноценный фильтр низких частот, обеспечивающий эффективное подавление высокочастотных составляющих ШИМ. Применение синусных фильтров способствует уменьшению акустического шума от двигателя, снижению нагрева обмоток, устранению импульсных отражений в моторном кабеле.

Синус-фильтр

Применение синус-фильтра рекомендуется в следующих случаях:

• при длине кабельных линий более 100 метров. Здесь эффект отражения приобретает очень опасный характер, и моторный дроссель не способен его компенсировать. Синусный фильтр же полностью устраняет стоячие волны, сглаживая пики напряжения на двигателе;
• при работе с устаревшими двигателями (с изоляцией класса A или B), чтобы обеспечить максимально щадящий режим для изоляции обмоток, не способных переносить крутые фронты импульсов;
• когда есть жёсткие требования к акустическому шуму, например, в театрах. Фильтр убирает раздражающий высокочастотный писк;
• когда требуется защитить смежное оборудование от электромагнитных помех. Синус-фильтр эффективно подавляет высокочастотные составляющие ШИМ-сигнала. Это минимизирует излучение от моторного кабеля при длинных линиях и позволяет использовать более дешевый неэкранированный кабель.

Важно помнить, что синус-фильтр и моторный дроссель решают похожие задачи, но с разной степенью эффективности, и в большинстве случаев они не взаимозаменяемы. Дроссель ограничивает скорость нарастания напряжения dU/dt и защищает изоляцию двигателя, но форма выходного сигнала всё ещё остаётся прямоугольной. Синус-фильтр, напротив, приближает выходной ШИМ-сигнал к синусоиде, что позволяет использовать кабели длиной до нескольких сотен метров и существенно снизить акустический шум. Однако фильтр дороже, крупнее и имеет бо́льшие потери напряжения, поэтому его применение оправдано только при специфических требованиях. В большинстве стандартных приводов с длиной неэкранированного кабеля до 50-100 м достаточно моторного дросселя.

Для эффективной борьбы с высокочастотными (радио) помехами на входе ПЧ дополнительно устанавливают фильтры ЭМС. Конструктивно такие фильтры представляют собой комбинацию дросселей и конденсаторов, собранных по специальным схемам, чтобы подавлять синфазные помехи и дифференциальные помехи между фазами.

Фильтр ЭМС

Фильтры ЭМС позволяют соблюдать строгие требования к электромагнитной совместимости, предъявляемые жилыми, медицинскими и коммерческими учреждениями, а также чувствительной промышленной электроникой, подключённой к той же сети – ПЛК, датчиками, различными измерительными системами. Это обязательное условие для получения сертификата ЭМС и сдаче различных объектов в эксплуатацию. Подробнее о фильтрах ЭМС рассказывалось в статье, посвящённой ПЧ серии AD800P.

Аксессуары для частотных преобразователей Optimus Drive помогают комплексно защитить как сами устройства, так и расположенное рядом оборудование, а также повысить качество электрической энергии в питающей сети.

Важно понимать, что они не взаимозаменяемы, и каждый аксессуар решает собственную задачу, поэтому грамотная комплектация имеет большое значение в обеспечении безотказности и устойчивости системы. Чтобы правильно подобрать необходимые для конкретных условий компоненты, обратитесь к нашим экспертам – мы поможем выстроить надёжную, безопасную и устойчивую систему электропривода без лишних вложений и избыточности опций.

Дополнительные опции для ПЧ Optimus Drive в составе частотно регулируемого привода с двигателями OSM