Емс фильтр что такое
ЭМС фильтр для преобразователя частоты
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:
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:
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:
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:
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:
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.
ЭМС фильтр для преобразователя частоты
Частотно-регулируемый привод значительно уменьшает потребление электроэнергии, позволяет регулировать скорость и момент на валу асинхронных и синхронных двигателей, синхронных машин на постоянных магнитах, обладает рядом других преимуществ.
Однако, такой электропривод обладает серьезным недостатком. Частотный преобразователь – источник электромагнитных помех. Основным их источником являются блоки быстро переключающихся транзисторов или тиристоров.
В результате большого числа коммутаций в единицу времени возникают паразитные гармоники, которые искажают синусоидальную форму напряжения и тока, снижают коэффициента мощности. Общий коэффициент гармонических искажений обозначается аббревиатурой THD (Total Harmonic Distortion). Искажение напряжения – THUD, тока – THID.
Влияние электромагнитных помех
ЭМП приводят к ассиметричной нагрузке в трехфазных электросетях, перегреву обмоток электродвигателей и трансформаторов, избыточному току нейтрали, искажению радиосигналов, появлению наводок в слаботочных сетях.
Наличие помех также требует установки более мощных электроаппаратов защиты и коммутации, выбор нейтрального проводника большего сечения при проектировании. ЭМП увеличивают стоимость систем электроснабжения, эксплуатационные затраты на оборудование и сеть.
Что такое ЭМС
Требования к качеству электроэнергии в сети, искажениям напряжения и тока питания для различного оборудования, величине помех в радиочастотном диапазоне существенно различаются.
Для обеспечения совместной работы различных электроустановок и других технических средств введено понятие ЭМС. Электромагнитная совместимость отражает способность оборудования функционировать одновременно при наличии помех и не генерировать ЭМП недопустимого уровня, негативно влияющих на работу другой техники.
ЭМС регламентируется директивами и нормами IEC (международной электротехнической комиссией), стандартами Европейского комитета по стандартизации электротехники CENELEC (нормативы EN), Европейского Института по стандартизации телекоммуникаций (нормы ETS). В России и странах ближнего зарубежья руководствуются требованиями Технического регламента Таможенного союза стран ЕАЭС 020/2011, ГОСТ Р 50397-2011.
Способы снижения уровня помех, возникающих при работе преобразователя частоты
Скорость коммутации силовых ключей MOSFET и IGBT в частотных преобразователях очень высока. При работе устройств возникают искажения формы напряжения и тока на входе и выходе, а также помехи в радиочастотном диапазоне.
Для обеспечения ЭМС частотных преобразователей применяют следующие методы:
Уровень электромагнитных помех во многом зависит от технологии производства кристаллов силовых полупроводниковых элементов, электрических связей ключей. Снижение помех достигается совершенствованием элементной базы, введение в конструкцию модуля CAL-диодов, отличающихся плавной характеристикой восстановления.
К недостаткам этого метода относятся высокая стоимость таких силовых ключей, несовершенство полупроводниковых кристаллов.
Еще один способ борьбы с генерацией электромагнитных помех – использование от 12-18-пульсных до 54-пульсных схем, настройка ШИМ-модулятора, управляющего ключами, введение в конструкцию разделительного многообмоточного трансформатора для гальванического разделения цепи входа и инвертора.
Применение многопульсных схем позволяет значительно снизить искажения. Так, THID 6-пульсного преобразователя составляет 60%, 12-пульсного – не более 7%. Однако, стоимость таких преобразователей намного выше. Разделительный трансформатор значительно увеличивает габариты и массу преобразователя частоты. Сфера применения таких устройств – электроприводы выше 1 кВ.
Самый широко применяемый метод для обеспечения ЭМС – встроенные или внешние фильтры. Устройства несколько усложняют конструкцию электропривода, однако, такой способ борьбы с ЭМП обходится дешевле дорогих полупроводниковых элементов и многопульсных схем.
Фильтры электромагнитных помех встраивают во входную цепь и звено постоянного тока преобразователя частоты или подключают перед устройством и электродвигателем. Рассмотрим типы фильтров ЭМП для частотных преобразователей.
Типы фильтров для преобразователей частоты и особенности их применения
Различают пассивные и активные фильтры для борьбы с помехами и обеспечения электромагнитной совместимости преобразователей частоты.
Первые представляют собой дроссели или колебательные контуры, которые встраивают в схему преобразователя или подключают к входу или выходу устройства. Фильтры играют роль двухстороннего буфера между преобразователем и электрической сетью или между частотником и электродвигателем.
Входные внешние фильтры
На входе устройства устанавливают дроссели и импульсные фильтры. Устройства защищают конденсатор в звене постоянного тока частотного преобразователя от пробоя, продлевают срок его службы, частично выравнивают нагрузку по фазам, сглаживают искажения с 5 гармоники. Входные пассивные фильтры устанавливают:
Пассивные входные фильтры эффективны при высоком фоновом искажении, однако, в таких условиях гармоническая составляющая может превысить допустимое для сети и электрооборудования значение. Устройства наиболее эффективны при номинальной нагрузке, при низком коэффициенте мощности потребителей и частичной загрузке, лучше использовать фильтры другого типа.
При питании от генератора, отсутствие или снижение нагрузки может привести к нарастанию напряжения и пробою конденсаторов. В таких сетях необходимо установить коммутационный аппарат для отключения конденсаторов при снижении нагрузки до 20% от номинала.
Выходные внешние фильтры
Для сглаживания паразитных составляющих на выходе преобразователей устанавливают dU/dt или синусовые фильтры. Первые представляют собой «Г» — образный колебательный контур. Фильтры такого типа снижают быстрое нарастание напряжения, электромагнитное излучение в кабеле двигателя, отсекают гармоники выше частоты коммутации. Устройства применяют в приводах со старыми электродвигателями, оборудовании, работающем в повторно-кратковременных режимах, с частыми запусками, остановками и реверсом.
Синусовые фильтры также представляют собой колебательный контур. Резонанс устройства настроен на ½ частоты коммутации транзисторных ключей преобразователя. Синусовые фильтры обеспечивают форму напряжения на выходе преобразователя частоты, приближенную синусоидальной, эффективно подавляют высокочастотные гармоники, снижают нагрев обмоток, акустический шум. Сфера применения устройств –электроприводы на 680 В, оборудование, работающее в повторно-кратковременном режиме.
Активные внешние фильтры
При высоких требованиях к ЭМС, большом количестве нелинейных потребителей, высоких фоновых искажениях, применяют активные фильтры. Устройства представляют собой следящую схему, автоматически определяющие фазу, частоту и амплитуду искажений и генерирующие компенсационное напряжение. Его наложение на паразитные составляющие дает чистую синусоиду.
Активные фильтры можно устанавливать на всю нелинейную нагрузку или на отдельное оборудование. Устройства эффективно подавляют паразитные гармоники во всем частотном диапазоне, повышают коэффициент мощности, исключают резонанс в сетях переменного тока. Оборудование совместимо с батареями конденсаторов, пассивными фильтрами и другими средствами для обеспечения ЭМС. К недостаткам таких фильтров относится высокая цена.
Встроенные фильтры
Большинство производителей частотных преобразователей комплектуют устройства встроенными фильтрами в звене постоянного тока и входной цепи.
Такие решения снижают помехи в радиодиапазоне и уменьшают до приемлемых значений величину искажений на входе и выходе частотника. При высоких требованиях к ЭМС, в сетях с дизельными генераторами, при небольшой мощности питающего трансформатора, дополнительно применяют внешние пассивные и активные фильтры.
Заключение
Обеспечение электромагнитной совместимости частотного преобразователя – комплексная задача. При выборе технических решений руководствуются условиями конкретной сети электроснабжения, видом и параметрами потребителей и другого оборудования на объекте, стандартами и директивами, регламентирующими ЭМС электрооборудования. Исходя из этих критериев, выбирают оптимальное, экономически и технически эффективное решение.
Оборудование для электромагнитной совместимости преобразователей частоты
ПЧ генерируют на выходе необходимые базовые напряжение и частоту, используя технологию, известную как «Широтно-импульсная модуляция» (ШИМ). Для класса инверторов 380 В, типовое базовое напряжение составляет от 0 до 380 В, а базовая частота изменяется от 0 до 50 Гц. В выходной цепи инвертора находятся «переключающие» транзисторы, работающие на высокой скорости и создающие несущую частоту, поверх которой формируются необходимые базовые напряжение и частота. Принцип этого переключения совершенно аналогичен AM или FM радиопередаче, в которой полезная информация, в виде музыки или речи, передается на радиоприемник на какой-то заданной радиочастоте. Несущая частота, или частота переключения, используемая для ПЧ на базе IGBT, обычно составляет от 1 до 20 кГц.
Время переключения — это время, которое требуется IGBT инвертору на переход из состояния «выключен» (высокое сопротивление) к состоянию «включен» (низкое сопротивление), и наоборот. Для IGBT последнего поколения, время переключения варьируется в диапазоне от 100 до 200 наносекунд (нсек). Поскольку эти устройства используются в цепях постоянного тока инвертора напряжением, приблизительно 650 В, для класса инверторов на 380 В, скорость изменения напряжения в единицу времени, (dV/dT), может превосходить 7500 вольт за микросекунду, (В/μсек).
Часто существует необходимость разнесения преобразователя частоты (ПЧ) и управляемого им двигателя на большое расстояние друг от друга. Пример: двигатели погружных насосов, установленных в скважинах глубиной более 80 метров, должны управляться с поверхности: чем глубже скважина, тем длиннее кабель между двигателем и ПЧ.
На некоторых предприятиях, двигатели могут работать при тяжелых условиях окружающей среды. Однако, чувствительная электроника ПЧ может не вынести этих условий, что приводит к необходимости увеличения расстояния между центром управления, содержащим ПЧ и двигателем, которым он управляет.
В случае конвейеров и прессов часто имеется только один ПЧ, который управляет несколькими двигателями, размещенными по всей длине конвейера. Длина конвейера часто диктует необходимость больших расстояний между двигателями и ПЧ.
Большинство производителей ПЧ оговаривают максимально допустимое расстояние между двигателем и ПЧ. Максимально допустимые расстояния разнятся у производителей, но все они лежат в пределах 30-80 м.
Многие пользователи ПЧ ставятся перед выбором, или, скорее, вынуждены игнорировать требования к максимально допустимым расстояниям. Такие пользователи, спустя несколько недель или месяцев, эксплуатации двигателя в составе регулируемого электропривода, вынуждены перематывать двигатель, или менять на новый. В некоторых случаях, двигатель может выйти из строя даже при соблюдении требования по расстоянию, но близости его значения к максимально допустимой величине. Естественно, возрастают как затраты на ремонт, так и расходы, вызванные простоем оборудования.
Для решения задач совместимости преобразователей частоты с другим оборудованием существует ряд дополнительных устройств:
Сетевые дроссели (AC-реакторы)
Снижение уровня гармоник может быть достигнуто последовательным включением в цепь питания преобразователя частоты сетевого дросселя. Величина гармоник тока зависит от общего индуктивного сопротивления, состоящего из сетевого дросселя и входного индуктивного сопротивления сети.
Дроссели подбираются по номинальному току и индуктивности. Двумя самых распространенными типами по характеристике индуктивности при использовании в приводной технике, являются 4% и 2% дроссели. Данная характеристика называется «падение напряжения при коротком замыкании» (так же, как и для трансформаторов). Данная характеристика равна процентному значению падения напряжения на обмотках дросселя при номинальном токе и частоте, по отношению к входному напряжению.
Падение напряжения зависит как от резистивной, так и от индуктивной составляющей общего входного импеданса, но для дросселей доминирующем фактором является именно индуктивная составляющая, поскольку величина сопротивления обмоток очень мала, и поэтому, падение напряжения напрямую зависит от индуктивности обмоток на частоте 50 Гц.
Сетевые дроссели можно не использовать, если входное индуктивное сопротивление сети достаточно велико. На практике часто бывает, что параметры сети, к которой подключаются ПЧ, не известны. Поэтому рекомендуется всегда использовать сетевой дроссель, подключенный последовательно с преобразователем.
К дополнительным достоинствам сетевых дросселей можно отнести их способность к подавлению кратковременных колебаний в сети вызванных перезарядами в конденсаторах. Помимо этого сетевые дроссели несколько снижают влияние перекоса фаз питающего напряжения. К недостаткам — их влияние на снижение уровня напряжения на шине постоянного тока.
Дроссели шины постоянного тока (DC-реакторы)
DC-реакторы подключаются последовательно в шину постоянного тока ПЧ. Они как и AC-реакторы хорошо влияют на снижение гармонических колебаний вызванных работой преобразователей.
Преобразователи частоты это источники радиопомех. Радиопомехи возникают вследствие переключения IGBT транзисторов выходного каскада с высокой частотой (до десятков кГц). Источниками излучения помех являются кабели, соединяющие ПЧ с двигателями, сами двигатели, а так же преобразователи частоты. Излучение радиопомех, как правило, может быть уменьшено применением металлических кожухов и экранов.
В случае с кабелями, излучение возникает между фазами, а также между фазами и землей и зачастую одновременно. Данные высокочастотные колебания проникают и в питающую сеть, что может отрицательно повлиять на работу электронной аппаратуры, которая подключена к этой же сети. Для снижения уровня радиопомех со стороны питания преобразователя частоты, применяются RFI-фильтры (radio-frequency interference filter, фильтры радиопомех, фильтры электромагнитной совместимости ЭМС-фильтры). Многие производители выпускают преобразователи частоты со встроенными фильтрами ЭМС.
В некоторых случаях, особенно если в силовых цепях питания электрооборудования присутствуют устройства защитного отключения (УЗО), применение преобразователей частоты с ЭМС фильтрами может быть невозможно ввиду того, что через ЭМС фильтры есть утечка небольших токов на «землю». Как раз утечку таких небольших токов на землю и контролируют УЗО. Поэтому производители ПЧ почти всегда предусматривают возможность отключения встроенного в преобразователи частоты ЭМС фильтра.
Моторные дроссели (дроссели du/dt)
Данные дроссели предназначены для защиты двигателей от пиков напряжения, возникающих при работе преобразователей частоты. Пики напряжения — результат работы IGBT транзисторов с высокой частотой (десятки кГц), при этом значение du/dt может достигать 12кВ/мс (в соответствии со стандартом VDE0530, в зависимости от типа мотора, допустимый du/dt — 500-1000 В/мс). Величина пульсаций напряжения зависит от несущей частоты преобразователей частоты, длины и типа кабеля. Если расстояние от преобразователя до двигателя превышает 30-60 м рекомендуется применение моторных дросселей. Иначе возможно появление перенапряжения и повреждение двигателя из-за индуктивности и возможных резонансов на частоте ШИМ в кабеле.
dV/dt дроссели схожи по конструкции с обычными сетевыми дросселями, с тем отличием, что конструкция сердечника выполнена не из обычного трансформаторного железа, а из материала с лучшими характеристиками по магнитной индукции, что позволяет ему перемагничиваться на частотах, близких к частоте несущей ШИМ. Как пример dV/dt дроссели фирмы Schaffner (серия RWK 305) работают на частотах ШИМ 2-12 кГц и обеспечивают снижение скорости нарастания пиков перенапряжения не менее, чем в 5 раз.
Выходные фильтры своей индуктивностью вместе с емкостным сопротивлением кабелей питания двигателей уменьшают емкостные токи заряда/разряда в кабелях питания двигателей, ограничивают градиент напряжения du/dt а также абсолютные значения пиков перенапряжения на клеммах двигателя. Du/dt фильтры рекомендуется использовать при небольшой длине кабеля двигателя (до 80-100 метров), в противном случае лучше использовать синусные фильтры.
Синус-фильтры (синусные фильтры)
Синусные фильтры представляют собой комбинацию емкостных и индуктивных элементов. Данные фильтры имеют ряд преимуществ перед du/dt дросселями, так как высокая несущая частота преобразователя частоты практически полностью поглощается фильтрами и на выходе получается полностью синусоидальное напряжение, что позволяет значительно увеличивать длину кабельных линий от ПЧ до двигателя и избавиться от использования экранированного кабеля.
Синусный фильтр уменьшает износ и потери в двигателе, а так же снижает его аккустический шум, вызванный гармоническим составом сигнала. Так же установка данного фильтра необходима при наличии трансформатора между преобразователем частоты и двигателем (например, при использовании двухтрансформаторной схемы).
К недостаткам применения синусных фильтров можно отнести их немалые габариты, большой вес и стоимость, иногда соизмеримую со стоимостью ПЧ. Однако в применениях, где требуется установка ПЧ на значительном удалении от двигателя (150 метров и более) такие затраты оправданы, так как суммарные потери полезной мощности в кабелях могут оказаться значительно дороже.
Популярные товары