ЭМС-фильтры и синус-фильтры для преобразователей частоты

Преобразователь частоты (ПЧ) формирует выходное напряжение с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Это позволяет регулировать скорость и момент электродвигателя переменного тока. При этом быстрые переключения силовых ключей создают высокочастотные составляющие, которые необходимо учитывать при проектировании электропривода.

Инвертор ПЧ формирует последовательность импульсов с высокой скоростью нарастания напряжения. Их основная гармоника соответствует заданным выходным напряжению и частоте. Быстрые фронты ШИМ создают дополнительную электрическую нагрузку на моторный кабель и изоляцию двигателя, а также становятся источником электромагнитных помех.

Для решения разных задач применяются разные средства фильтрации. Входной ЭМС-фильтр работает преимущественно со стороны питающей сети, а синус-фильтр устанавливается на выходе преобразователя — между ПЧ и двигателем.

Входной ЭМС-фильтр и синус-фильтр решают разные задачи и не являются взаимозаменяемыми. Ниже рассматриваются их назначение, расположение и подбор для низковольтных электроприводов с ШИМ-преобразователями.

Рисунок 1. Входной ЭМС-фильтр и выходной синус-фильтр работают на разных участках электропривода.

Откуда возникают помехи при работе преобразователя частоты

Основными источниками высокочастотных составляющих являются силовые полупроводниковые ключи инвертора, которые с высокой скоростью переключают напряжение звена постоянного тока.

В результате в системе электропривода возникают высокочастотные токи и напряжения, распространяющиеся по силовым проводникам, защитному заземлению и через паразитные ёмкости оборудования.

Условно можно выделить два основных направления воздействия:

• ПЧ → питающая сеть — высокочастотные кондуктивные помехи, то есть помехи, распространяющиеся по проводникам, могут уходить от преобразователя в питающую сеть;
• ПЧ → моторный кабель → двигатель — импульсное выходное напряжение воздействует на кабель, изоляцию обмоток двигателя и паразитные ёмкости системы.

Важно различать высокочастотные электромагнитные помехи и гармонические искажения входного тока преобразователя.

ЭМС-фильтр предназначен прежде всего для подавления высокочастотных кондуктивных помех. Он не является средством снижения низших гармоник входного тока, характерных для выпрямительной части стандартного ПЧ.

Для уменьшения THDi — коэффициента гармонических искажений тока — применяют сетевые дроссели, дроссели звена постоянного тока (DC-дроссели), пассивные и активные фильтры гармоник, многопульсные схемы или активные выпрямители. Эти решения воздействуют на низшие гармоники, характерные для стандартного шестипульсного выпрямителя, в том числе 5‑ю, 7‑ю и 11‑ю.

Поэтому выбор фильтра следует начинать не с мощности преобразователя, а с определения конкретной проблемы, которую необходимо решить.

Как ЭМС-фильтр снижает высокочастотные помехи

ЭМС-фильтр, также называемый EMC- или RFI-фильтром, предназначен для снижения уровня высокочастотных кондуктивных помех, распространяющихся между преобразователем частоты и питающей сетью.

Фильтр может быть:

• встроен непосредственно в преобразователь частоты;
• установлен отдельно между питающей сетью и ПЧ.

Конструкция ЭМС-фильтра включает частотно-зависимые индуктивные и ёмкостные элементы, обеспечивающие ослабление высокочастотных составляющих в определённом диапазоне частот.

Проверить достаточность встроенного фильтра и необходимость внешнего особенно важно, если:

• предъявляются определённые требования по электромагнитной совместимости оборудования;
• рядом с ПЧ установлены ПЛК, измерительные устройства, датчики или коммуникационное оборудование;
• несколько преобразователей работают от общей питающей сети;
• условия монтажа отличаются от предусмотренных стандартной конфигурацией преобразователя.

Наличие рядом ПЛК или нескольких ПЧ само по себе не означает, что нужен дополнительный фильтр. Решение принимают по требованиям к ЭМС и характеристикам конкретной конфигурации. Установка ЭМС-фильтра сама по себе не гарантирует электромагнитную совместимость всей системы.

Не меньшее значение имеют:

• схема защитного заземления;
• низкоимпедансные высокочастотные соединения корпусов и монтажной панели — короткие, с достаточной площадью контакта;
• заделка экрана моторного кабеля по окружности на стороне ПЧ и двигателя, с учётом требований производителя;
• применение моторного кабеля с подходящими конструкцией и экранированием;
• разделение силовых и сигнальных цепей;
• расположение оборудования в шкафу;
• способ прокладки кабелей;
• выполнение требований производителя ПЧ к монтажу.

Входные и выходные проводники внешнего ЭМС-фильтра разводят так, чтобы исключить повторную наводку помех на отфильтрованную линию. Корпус фильтра монтируют с надёжным электрическим контактом к проводящей монтажной поверхности по инструкции изготовителя.

Помехи распространяются также через моторный кабель, паразитные ёмкости и цепи PE. Поэтому ЭМС оценивают для всего электропривода. Заявленный уровень подавления помех проверяют для сочетания ПЧ, фильтра, длины и типа кабеля, частоты ШИМ и способа монтажа. Длинный кабель может ограничивать достижимые характеристики ЭМС даже при установленном входном фильтре.

Рисунок 2. Пример компоновки электропривода и сигнальных цепей. Схема поясняет принципы монтажа и не заменяет рабочую электрическую схему.

Для преобразователей VEDA VFD предусмотрены внешние ЭМС-фильтры и другие силовые опции; наличие встроенного фильтра и совместимость дополнительных устройств проверяют по конкретной серии и исполнению ПЧ.

Чем ЭМС-фильтр отличается от фильтра гармоник

На практике эти устройства иногда ошибочно объединяют под общим названием «сетевой фильтр».

ЭМС-фильтр работает преимущественно с высокочастотными кондуктивными помехами.

Сетевой дроссель или гармонический фильтр применяется для ограничения или снижения гармонических составляющих входного тока преобразователя.

Например, если задача заключается в снижении THDi на вводе предприятия, установка обычного ЭМС-фильтра проблему не решит.

И наоборот, сетевой дроссель не заменяет специализированный ЭМС-фильтр, если требуется обеспечить необходимый уровень подавления высокочастотных помех.

Как синус-фильтр сглаживает выходное напряжение ПЧ

Синус-фильтр устанавливают на выходе ПЧ, обычно рядом с преобразователем, перед протяжённым моторным кабелем. Допустимую длину соединения от ПЧ до фильтра проверяют по документации.

Обычно это LC-фильтр нижних частот, состоящий из индуктивных и ёмкостных элементов. Он подавляет высокочастотные составляющие ШИМ и приближает межфазное напряжение на двигателе к синусоидальному. Межфазное напряжение измеряют между двумя выходными фазами; это не то же самое, что напряжение фазы относительно PE.

За счёт этого уменьшаются:

• крутизна фронтов межфазного напряжения dU/dt — скорость изменения напряжения во времени;
• пиковые межфазные перенапряжения на клеммах двигателя;
• электрическая нагрузка на изоляцию обмоток;
• высокочастотные составляющие тока, связанные с межфазной пульсацией напряжения;
• часть электромагнитных помех, связанных с отражениями и колебаниями в моторной линии;
• дополнительный акустический шум двигателя, вызванный ШИМ.

Рисунок 3. Условное межфазное напряжение до и после синус-фильтра. Это поясняющая иллюстрация, а не осциллограмма конкретного оборудования.

Синус-фильтр особенно актуален при значительной длине кабеля между ПЧ и двигателем, а также в случаях, когда необходимо снизить воздействие импульсного напряжения на двигатель.

Обычный межфазный синус-фильтр не следует считать универсальным средством подавления синфазного напряжения — общей для фаз составляющей напряжения относительно земли. Синфазные токи в цепях PE и через паразитные ёмкости могут сохраняться. Для уменьшения подшипниковых токов и помех иногда требуются дополнительные меры: синфазные фильтры, корректное заземление, изолированные подшипники или заземление вала по рекомендациям изготовителя двигателя.

Применение неэкранированного кабеля после синус-фильтра допустимо только для конфигураций, в которых это разрешено изготовителем и обеспечены требования ЭМС. Само наличие фильтра не отменяет требования к экранированию и прокладке.

Почему длина моторного кабеля имеет значение

Моторный кабель имеет распределённые сопротивление, индуктивность и ёмкость, поэтому его нельзя рассматривать как идеальный проводник.

При быстрых фронтах ШИМ кабель начинает проявлять свойства линии передачи. Возникают волновые процессы и отражения импульсов, из-за которых пиковое напряжение непосредственно на клеммах двигателя может превышать значение импульса на выходе преобразователя.

Рисунок 4. Отражения импульсов могут вызывать перенапряжение на клеммах двигателя. Амплитуды и временные масштабы показаны условно.

Пиковое напряжение не растёт пропорционально длине кабеля. Важны соотношение времени распространения импульса и длительности его фронта, затухание и параметры всей линии. Высокое dU/dt может быть опасным и при коротком кабеле. 

Дополнительное влияние оказывают:

• конструкция моторного кабеля;
• его погонная ёмкость;
• сечение проводников;
• различие волнового сопротивления кабеля и импульсного сопротивления двигателя;
• напряжение звена постоянного тока ПЧ;
• частота ШИМ;
• характеристики силовых ключей преобразователя;
• параметры двигателя.

Поэтому универсального правила вида «после 50 или 100 метров обязательно нужен синус-фильтр» не существует.

Допустимую длину кабеля проверяют отдельно по нагрузке на выход ПЧ, требованиям ЭМС и допустимому импульсному напряжению двигателя. Эти ограничения могут различаться. Выходную фильтрацию выбирают по документации изготовителей ПЧ, фильтра и двигателя с учётом характеристик кабеля.

Различия между ЭМС-фильтром и синус-фильтром

В одном электроприводе оба типа фильтра могут применяться одновременно.

Например, входной ЭМС-фильтр снижает кондуктивные помехи со стороны сети, а синус-фильтр уменьшает воздействие импульсного межфазного напряжения на двигатель и кабель. Для достижения требуемого результата важен правильный монтаж обоих устройств.

Моторный дроссель и выходные фильтры

Между обычным подключением двигателя непосредственно к ПЧ и применением полноценного синус-фильтра существуют промежуточные варианты выходной фильтрации.

Моторный дроссель

Моторный дроссель представляет собой последовательную индуктивность, устанавливаемую на выходе преобразователя.

Он может использоваться для:

• ограничения высокочастотных токов;
• уменьшения влияния ёмкости моторного кабеля;
• снижения нагрузки на силовые ключи ПЧ;
• уменьшения крутизны фронтов напряжения в пределах характеристик конкретного дросселя;
• снижения пиковых токов в выходной цепи.

Выходное напряжение при этом остаётся импульсным. Обычный моторный дроссель нельзя считать гарантированной защитой от перенапряжений без данных о конкретном сочетании ПЧ, дросселя, кабеля и двигателя.

dU/dt-фильтр

Специализированный dU/dt-фильтр предназначен прежде всего для ограничения скорости нарастания напряжения и уменьшения пикового напряжения на клеммах двигателя.

В отличие от обычного моторного дросселя, такой фильтр подбирают по заявленным изготовителем ограничениям dU/dt и пикового напряжения. Межфазное выходное напряжение сохраняет импульсную форму. Результат зависит от конструкции фильтра, длины кабеля и режима ПЧ.

Синус-фильтр

Синус-фильтр глубже подавляет составляющие на частоте ШИМ и приближает межфазное напряжение к синусоидальному. Его назначение и ограничения отличаются от характеристик моторного дросселя и dU/dt-фильтра.

Эти варианты сравнивают по требуемому результату: ограничению токов кабеля, снижению dU/dt и перенапряжений либо получению близкого к синусоидальному межфазного напряжения.

Универсального правила «чем больше фильтрация, тем лучше» нет.

Синус-фильтр имеет собственные ограничения, потери, габариты и требования к совместимости с преобразователем. Для конкретного электропривода следует выбирать минимально необходимое и технически обоснованное решение.

Как выбрать фильтр для преобразователя частоты

Фильтр необходимо выбирать как элемент всей системы:

питающая сеть → входные опции → ПЧ → выходной фильтр → моторный кабель → двигатель.

Подбор только по мощности двигателя является недостаточным.

Номинальный ток

Для входного ЭМС-фильтра допустимый длительный ток проверяют относительно действующего входного тока ПЧ при расчётной нагрузке. Учитывают требования изготовителя фильтра к несинусоидальному току, перегрузке и условиям установки.

Для выходного фильтра проверяют длительно допустимый ток, фактический ток двигателя и кратковременные перегрузки. Подбор согласуют с выходными характеристиками и настройками защиты ПЧ. Рекомендуемая мощность в каталоге служит ориентиром, но не заменяет проверку токов.

Необходимо также учитывать:

• кратность и длительность перегрузки;
• характер нагрузки;
• температуру и другие условия, требующие снижения допустимого тока.

Рабочее напряжение

Фильтр должен быть рассчитан на соответствующий класс напряжения системы.

Недостаточно ориентироваться только на стандартное обозначение 400, 500 или 690 В — необходимо проверять допустимое рабочее напряжение конкретного фильтра и его совместимость с серией ПЧ.

Частота ШИМ

Для выходных фильтров частота коммутации является одним из ключевых параметров.

Синус-фильтр рассчитывается для определённого диапазона частот ШИМ. Работа вне предусмотренного диапазона может приводить к:

• повышенному нагреву фильтра;
• увеличению потерь;
• ухудшению качества фильтрации;
• нежелательным резонансным явлениям.

Частоту ШИМ согласуют с документацией ПЧ и фильтра. Проверяют также автоматическое снижение или изменение частоты коммутации: во всех рабочих режимах она должна оставаться в допустимом для фильтра диапазоне.

Выходная частота преобразователя

Необходимо проверять допустимый диапазон основной выходной частоты.

Это особенно важно для высокоскоростных электроприводов, где рабочая частота двигателя может существенно превышать стандартные 50 Гц.

Не каждый синус-фильтр рассчитан на работу с такими режимами.

Совместимость с ПЧ и падение напряжения

Проверяют, допускает ли изготовитель ПЧ работу с выбранным фильтром в нужном режиме управления, включая векторное управление и автонастройку двигателя. Если предусмотрен параметр выходного фильтра, его настраивают по руководству. Некоторые процедуры идентификации двигателя с подключённым фильтром ограничены.

Фильтр вносит падение напряжения и дополнительные потери. Вместе с падением напряжения в кабеле это влияет на доступное напряжение двигателя и его момент. В расчёте учитывают охлаждение фильтра, а при необходимости повышать частоту ШИМ — допустимый ток и нагрев самого ПЧ.

Длина и тип моторного кабеля

Для выходной фильтрации необходимо учитывать:

• фактическую длину и число параллельно подключённых кабелей;
• сечение, конструкцию и наличие экрана;
• погонную ёмкость;
• способ прокладки.

Суммарная ёмкость линии увеличивает высокочастотные зарядные токи. Для длинных и параллельных кабелей учитывают межфазную ёмкость и ёмкость относительно экрана или земли. Обычный межфазный синус-фильтр не устраняет автоматически нагрузку от всех этих ёмкостей.

Параметры двигателя

Необходимо учитывать:

• номинальные напряжение, ток, мощность и частоту;
• тип двигателя;
• состояние изоляции и пригодность двигателя для питания от ПЧ;
• допустимые пиковое напряжение и dU/dt либо минимальное время нарастания импульса;
• наличие изолированных подшипников или других мер защиты при необходимости.

Для старого двигателя отдельно оценивают состояние изоляции. Тепловой класс, например F или H, сам по себе не подтверждает стойкость к повторяющимся импульсам ПЧ.

Синус-фильтр может значительно снизить электрическую нагрузку на двигатель, но не заменяет диагностику изоляции и не исправляет существующие дефекты оборудования.

Тип нагрузки и перегрузочная способность

Фильтр необходимо подбирать не только по номинальному режиму.

Нагрузку оценивают по реальному механизму. Например, у центробежного насоса обычно иная зависимость момента от скорости, чем у конвейера, дробилки, подъёмного механизма или объёмного компрессора. Переходные режимы и условия пуска проверяют отдельно.

Если ПЧ работает с повышенной перегрузочной способностью, фильтр также должен быть рассчитан на соответствующие токовые режимы.

Система заземления

При подборе входного ЭМС-фильтра необходимо учитывать схему питающей сети — TN, TT или IT.

ЭМС-фильтры содержат ёмкостные цепи относительно защитного проводника PE, поэтому могут создавать токи утечки.

Для сетей IT использование встроенного или внешнего ЭМС-фильтра допускается только в соответствии с документацией производителя конкретного ПЧ.

При наличии устройства дифференциальной защиты проверяют допустимые токи утечки и совместимость защиты с ПЧ по документации оборудования.

В некоторых ПЧ для работы в IT-сети требуется отключить предусмотренные изготовителем EMC-цепи. При этом характеристики ЭМС меняются. Отключают только указанные цепи и строго по руководству; защитное соединение корпуса с PE сохраняют.

Условия эксплуатации

Также проверяются:

• температуру окружающей среды и высоту над уровнем моря;
• степень защиты, место установки и вентиляцию;
• требования по снижению номинальных характеристик.

Практические сценарии выбора

ПЧ и чувствительная автоматика находятся в одном шкафу

Помимо возможного применения входного ЭМС-фильтра проверяются:

• подключение PE;
• экранирование моторного кабеля;
• разделение силовых и сигнальных трасс;
• подключение экранов;
• компоновка шкафа;
• трасса выходного кабеля ПЧ.

Установка одного фильтра без корректной организации монтажа может не дать ожидаемого результата.

ПЧ соединён с двигателем длинной кабельной линией

Основное внимание уделяется выходной части системы.

Необходимо определить:

• допустимую длину кабеля для конкретного ПЧ;
• параметры моторного кабеля;
• номинальный ток двигателя;
• допустимое dU/dt;
• частоту ШИМ;
• требования производителя.

После этого выбирается моторный дроссель, dU/dt-фильтр или синус-фильтр.

Старый двигатель подключается к новому ПЧ

Следует проверить состояние изоляции и допустимые импульсные воздействия на двигатель, длину и тип кабеля, напряжение сети и характеристики ПЧ.

Если ожидаемые пиковое напряжение или dU/dt превышают допустимые для двигателя значения, рассматривают подходящий dU/dt- или синус-фильтр. Его установка не заменяет диагностику двигателя.

На объекте одновременно есть требования по ЭМС и длинный моторный кабель

В этом случае входной ЭМС-фильтр и выходная фильтрация могут использоваться одновременно.

Они работают на разных участках системы и решают разные задачи.

На объекте высокий уровень гармоник в питающей сети

Необходимо измерить гармоники в выбранной точке подключения, оценить коэффициенты искажения тока THDi и напряжения THDu, мощность короткого замыкания сети, параметры трансформатора и долю преобразовательной нагрузки. Фильтр выбирают под требуемый результат в этой точке.

В зависимости от результатов могут применяться:

• сетевые дроссели;
• DC-дроссели;
• пассивные гармонические фильтры;
• активные фильтры гармоник;
• низкогармонические преобразователи;
• активные выпрямители.

Обычный входной ЭМС-фильтр не предназначен для решения этой задачи.

Подбор фильтра как часть проектирования электропривода

Правильный подбор фильтра начинается со сбора исходных данных.

Как минимум необходимо знать:

• точную модель ПЧ, входной и выходной токи;
• параметры питающей сети;
• номинальный ток и характеристики двигателя;
• тип нагрузки;
• требуемую перегрузочную способность;
• длину и тип моторного кабеля;
• частоту ШИМ;
• диапазон выходной частоты;
• систему заземления;
• требования по ЭМС и импульсной стойкости двигателя;
• температуру и высоту установки.

Только после этого можно определить, требуется ли дополнительная фильтрация и какое решение будет технически оптимальным.

В зависимости от задачи это может быть входной ЭМС-фильтр, сетевой дроссель, моторный дроссель, dU/dt-фильтр, синус-фильтр либо комбинация нескольких устройств.

Специалисты компании СоюзЭлектроПривод выполняют подбор преобразователей частоты и силовых опций с учётом характеристик двигателя, нагрузки, питающей сети и кабельной линии.

При наличии протяжённого моторного кабеля, чувствительной автоматики, повышенных требований к ЭМС или нестандартных условий эксплуатации конфигурацию электропривода целесообразно определять ещё на стадии проектирования. Это позволяет подобрать совместимые компоненты и избежать избыточных либо, наоборот, недостаточных технических решений.