8 800 775 00 40 Звонок по России бесплатный Заказать доставку каталогов
С 9:00 ДО 18:00 График работы: пн-пт Быстрый заказ
Товар - 0
На сумму - 0.00 RUB
Каталог товаров производители

Регулируемый электропривод: повышение надёжности и увеличение производительности с помощью синусоидального фильтра

синусный фильтр BLOCK

В промышленности, все большую популярность приобретают регулируемые электропривода, так называемые преобразователи частоты, которые активно стараются внедрять на производственных площадках, технологических линиях, системах отопления, вентиляции и кондиционирования. Инженерные системы, такие как лифты и промышленное кондиционирование, тоже не обходятся без внедрения частотных инверторов — везде, где есть необходимость не только регулировать скорость вращения двигателя, но и существенно увеличить энергоэффективность системы в целом.

Специалисты отмечают, что, несмотря на все положительные стороны применения частотных инверторов, есть и недостатки, которые могут быть устранены при правильном подходе к выбору оборудования. Так, например, использование синусоидальных фильтров значительно повышает надежность и увеличивает производительность регулируемых электроприводов.


Для справки

Сейчас на рынке предложен большой выбор недорогих трехфазных асинхронных двигателей, которые решают различные задачи и отвечают высоким требованиям потребителей. При этом важно обеспечить электронное управление напряжением на двигателе.

Принцип работы регулируемого электропривода основан на широтно-импульсной модуляции выходных сигналов напряжения — преобразовании трехфазного синусоидального напряжения питания в постоянный ток в промежуточном контуре (звене постоянного тока) привода, а затем происходит преобразование уже выпрямленного напряжения в переменное требуемой амплитуды. Для того чтобы выходное напряжение соответствовало техническим характеристикам двигателя и требуемой величине тока, применяется биполярный транзистор с изолированным затвором — IGBT (полупроводниковый ключ).

Если синусоида имеет малые значения амплитуды, то генерируются короткие импульсы, которые содержат небольшое количество энергии. Чем ближе к максимуму амплитудного значения синусоиды, тем больше составляет ширина выходных импульсов. При отрицательных значениях синусоиды процесс представляет собой аналогичный алгоритм, меняется лишь полярность напряжения.

Управление вращающим полем, крутящим моментом, ускорением и замедлением двигателя осуществляется за счет процессора, который регулирует время подачи напряжения на обмотки привода, то есть осуществляется ШИМ (широтно-импульсная модуляция).


График № 1. Типичная форма выходного сигнала регулируемого электропривода.

На графике представлено обычное напряжение на выходе инвертора, с частотой переключения 2-16 кГц.

Напряжение на выходе регулируемого электропривода


Преимущества частотных инверторов

Современные типы частотных инверторов (регулируемых электроприводов) имеют ряд преимуществ:

  • компактность конструкции — минимум занятого пространства;
  • меньший вес, что значительность упрощает транспортировку и установку;
  • защита от перегрева, таким образом сокращаются затраты на дополнительную систему охлаждения;
  • щадящий режим эксплуатации двигателя;
  • экономия энергии;
  • векторное управление двигателем;
  • совместимость с системой ПЧ-двигатель, что дает возможность управления по RS-485;
  • доступная стоимость.

Возможные проблемы при применении регулируемых электроприводов

Несмотря на столь значимые преимущества частотных инверторов, есть и серьезные недостатки, которые связаны с особенностями характеристики скорости изменения выходного сигнала (du/dt). Возникшие проблемы могут сделать применение данной технологии неэффективным.

Проблема Причина Решение
Электромагнитные излучения от установленного оборудования
Технология работы силовых модулей (IGBT) преобразователей частоты представляет собой преобразование синусоидального сигнала в последовательность трапециевидных импульсов различной ширины, за счет этого появляются нелинейные искажения — высокочастотные помехи.

Для ограничения уровня помех и их распространения по всем контурам осуществляется установка дополнительных фильтров электромагнитной совместимости, фильтров гармоник.
Скачки напряжения (сокращение срока службы двигателя)
Пиковые значения напряжения становятся причиной сокращения срока службы двигателей. При частом переключении биполярного транзистора из открытого состояния в закрытое в инверторе, напряжение на клеммах двигателя возрастает на коэффициент du/dt. Каждое переключение, представляет собой резкий скачок напряжения с максимальным пределом (du/dt) до 10 кВ/мкс. Такие постоянные повышенные нагрузки на изолированные медные обмотки двигателя приводят к износу изоляционного слоя, что часто приводит плавлению изоляции. Нормальные условия эксплуатации для обмоток двигателей требуют значений du/dt менее 1 кВ/мкс.

Установка синусоидального фильтра на выходе электропривода позволяет снизить значение du/dt до приемлемого уровня. Фильтры могут быть установлены и на старые двигатели, не оснащенные регулируемым электроприводом.

Есть и другой способ ограничения нарастания du/dt: после инвертора устанавливаются низкоиндуктивные параллельные стабилизаторы. В данном случае требуется контролировать нарастание напряжения в обмотках двигателя.
Скачки напряжения, возникающие в результате переотражения волн
(пробои изоляции на обмотках двигателя).

Быстрое переключение напряжения транзисторами и повышенные частоты эксплуатации определяют дополнительные условия на максимальную длину кабелей. При подключении кабеля следует принять во внимание тот факт, что высокочастотные волны распространяются в проводниках неоднородно. Из-за рассогласования волнового сопротивления кабеля и двигателя возникает эффект переотражения волн. Импульсное напряжение, испускаемое преобразователем частоты приводит к 2-х кратному повышению напряжения на клеммах двигателя. Изоляция обмоток двигателя, покрытая лаком, не рассчитана на такие скачки напряжения — появляется пробой изоляции.

Использование синусоидальных фильтров способствует устранению эффекта отражения волн и снижению напряжения на клеммах двигателя до приемлемого уровня. Это предотвращает повреждение двигателя и аварийную остановку системы.
Повреждение подшипников Быстродействующие транзисторы в инверторе с комплекте с синфазным напряжением вызывают низкочастотные токи, которые начинают протекать через подшипники. Из-за нессиметричности конструкций двигателя, постоянных вибраций и изменений межосевых расстояний (на оси начинает протекать ток) возникает электроэрозия, которая приводит к быстрому разрушению подшипников.
Существует несколько способов сделать минимальными подшипниковые токи. Их можно изолировать, но это способ применяется крайне редко и не является промышленным стандартом). Применяются стабилизаторы тока, которые позволяют уменьшить уровень шумов и подшипниковых токов в среднем в 5-10 раз. Или синусоидальные фильтры — уменьшается уровень шумов и сглаживаются характеристики du/dt, что предотвращает износ изоляции из-за частичных разрядов. Эффективным методом защиты двигателя считается одновременное использование стабилизаторов подшипников и синусоидальных фильтров.


Увеличение нагрузки электропривода (остановка двигателя)

Емкостное сопротивление, которое возникает в моторном кабеле, увеличивает его действующую нагрузку. При предельной нагрузке вся энергия рассеется в кабеле и двигатель остановится вследствие низкой перегрузочной способности. Для предотвращения остановки двигателя используются синусоидальные фильтры.
Акустический шум двигателя
При наличии в рабочем напряжении высокочастотных компонент возникают дисгармонические шумы (магнитострикция), неприятные для человека. К тому же, высокий уровень этих шумов недопустим на производстве.

Установка синусоидального фильтра обеспечивает работу двигателя при нормальном уровне шума.


График № 2. Синусный фильтр улучшает характеристику du/dt управляемого электропривода.

Синусный фильтр улучшает характеристики регулируемого электропривода

Принцип работы синусоидального фильтра

Недостатки применения регулируемых электроприводов устраняются использованием синусных фильтров BLOCK. Они преобразуют широтно-модулированные импульсы электропривода в синусоидальный сигнал. Работа фильтров основана на двух принципах.

Встроенная катушка индуктивности играет роль реактивного контура, который запасает энергию в магнитном поле и затем преобразует ее в электрическую энергию цепи нагрузки. Зависящий от частоты импеданс (индуктивность и емкость) образует фильтр нижних частот первого порядка. Граничная частота подобрана таким образом, чтобы пропускать лишь нужный сигнал при минимальной потере энергии. Типичное падение напряжения составляет 30 В, что не мешает использовать двигатели с высоким крутящим моментом. Высокочастотные компоненты приводят к нелинейным искажениям порядка 5-8%. Существуют усовершенствованные версии, отвечающие повышенным требованиям.


График 3. Синусоидальный фильтр снижает амплитуды гармоник основного сигнала (3 кГц)

синусный фильтр преимущества

Подготовлено на основе материала: 

Удо Леонард Тил – руководитель направления «EMC filters and ferrite components» 

компании Block TransformatorenElektronik-Filter GmbH & Co. 

Майк Гриз – главный менеджер компании Block USA LP.


Синусные фильтры BLOCK в нашем каталоге


Поделиться
Прочту позже

Мы отправим статью на Ваш E-mail

канал на youtube