Синфазный фильтр своими руками

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 17.09.2024

Данная статья является второй в цикле публикаций, посвященных вопросам электромагнитной совместимости в промышленных и автомобильных DC/DC-преобразователях. В ней раскрываются различия между дифференциальными и синфазными помехами, рассматриваются особенности их распространения, а также кратко анализируются способы борьбы с ними

Увеличение частоты переключений является одним из основных способов уменьшения габаритов импульсных преобразователей. Однако расплатой за это становится увеличение уровня помех. Для выполнения качественной фильтрации необходимо понимать природу и особенности электромагнитных шумов. Это важно как с точки зрения обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС), так и с точки зрения уменьшения размеров, так как фильтры являются наиболее громоздкими компонентами преобразователя.

Данная статья является второй в цикле публикаций, посвященных вопросам ЭМС в промышленных и автомобильных DC/DC-преобразователях [1]. В ней рассматриваются типы кондуктивных помех в DC/DC-преобразователях, анализируются источники шумов и особенности распространения дифференциальных и синфазных помех. Так же в статье приводятся схемные решения, позволяющие разделить синфазные и дифференциальные шумы. В следующем разделе статьи анализируются пути распространения синфазных помех на примере автомобильного синхронного повышающего преобразователя.

Дифференциальные и синфазные кондуктивные помехи

Кондуктивные помехи связаны с протеканием шумовых токов, которые бывают дифференциальными и синфазными. Дифференциальные токи называют симметричными. Синфазные токи называют асимметричными. Контуры распространения синфазных и дифференциальных токов в синхронном повышающем и синхронном понижающем преобразователях показаны на рис. 1. Y-конденсаторы CY1 и CY2, подключенные между силовыми проводниками и плоскостью заземления, необходимы для замыкания контура протекания синфазных токов [2].

Рис. 1. Контуры протекания синфазных и дифференциальных токов в синхронном понижающем (a) и синхронном повышающем (b) преобразователях

Кондуктивные дифференциальные помехи

Дифференциальный шумовой ток I_DM обусловлен переключением силовых ключей импульсного преобразователя (рис. 1). Этот ток протекает одновременно в противоположных направлениях по шине питания (L1) и по общему обратному проводнику (L2), как показано на рис. 1. Дифференциальные токи определяются скоростью изменения тока в силовом ключе (di/ dt), магнитным полем и импедансом контура. Контур протекания дифференциального тока является замкнутым, компактным и, как правило, имеет небольшую площадь.

Кондуктивные синфазные помехи

Синфазный шумовой ток I_CM протекает по плоскости заземления GND и возвращается по шине питания (L1) и по обратному проводу (L2). Синфазные шумы определяются скоростью изменения напряжения на силовом ключе (dv/dt), электрическим полем и импедансом контура. В случае с неизолированным импульсным DC/DC-преобразователем синфазные шумы обусловлены высокими значениями dv/ dt при коммутации силового ключа и наличием паразитной связи с системой заземления. Эта связь определяется паразитными емкостями, образованными МОП-транзистором и радиатором, а также силовыми линиями преобразователя и плоскостью заземлением. Паразитная емкость соединительных проводов, подключенных ко входу или выходу, также может представлять собой путь для синфазных шумов.

На рис. 1 ток I_CM возвращается через Y-конденсаторы входного ЭМИ-фильтра, CY1 и CY2. Альтернативный путь возврата тока через измерительное сопротивление 50 Ом эквивалента сети (LISN) является крайне нежелательным. Подробнее этот вопрос уже рассматривался в первой публикации данного цикла [1]. Несмотря на то, что амплитуда синфазного тока оказывается гораздо меньше, чем амплитуда дифференциального тока, бороться с ней значительно труднее. Дело в том, что контур протекания синфазного тока обычно имеет большую площадь и может выступать в качестве антенны, излучая высокочастотные радиопомехи.

На рис. 2а показаны контуры протекания синфазных и дифференциальных токов в изолированном обратноходовом преобразователе. Ток I_CM попадает на вторичную сторону через паразитную межвитковую емкость обмотки трансформатора T1, обозначенную как C_PS, и возвращается через плоскость заземления GND. Упрощенная эквивалентная схема, поясняющая протекание синфазного тока I_CM, показана на рис. 2b.

Рис. 2. Контур протекания синфазного шумового тока в изолированном обратноходовом преобразователе (а); эквивалентная схема (b)

Источники шумов и пути распространения помех

Как уже говорилось в первой статье данного цикла, кондуктивные помехи DC/DC-преобразователей нормируются в диапазоне частот от 150 кГц до 30 МГц согласно CISPR 32, и в диапазоне от 150 кГц до 108 МГц согласно CISPR 25. При этом измерения шумов относительно заземляющей плоскости GND проводятся отдельно для каждой силовой линии с использованием эквивалента сети LISN (ЭС) [2].

Особенности генерации, распространения и измерения электромагнитных помех для DC/DC-преобразователей можно промоделировать с помощью схемы, изображенной на рисунке 3 [2]. Напряжение источника шума обозначено как V_N, а импедансы источника шума и контура распространения шумовых токов обозначены как Z_S и Z_P, соответственно. Эквивалент сети LISN и приемник ЭМИ представлены парой 50-омных резисторов.

На рис. 3 также приведены формулы для расчета дифференциальной V_DM и синфазной V_CM шумовых составляющих, которые получены из общего напряжения шума, измеренного на каждой линии питания, V1 и V2. Дифференциальная (симметричная) составляющая напряжения V_DM определяется как половина векторной разности V1 и V2, тогда как синфазная (асимметричная) составляющая напряжения V_CM равна половине векторной суммы V1 и V2 [3]. Обратите внимание на возможное расхождение в 6 дБ при определении V_DM по сравнению со стандартом CISPR 16.

Рис. 3. Эквивалентная схема для моделирования кондуктивных помех DC/DC-преобразователя

Импеданс синфазного источника шума Z_CM имеет емкостной характер и уменьшается с частотой. В то же время импеданс дифференциального источника шума Z_DM обычно увеличивается с частотой, так как носит активный и индуктивный характер.

Самый очевидный способ уменьшения уровня кондуктивных помех заключается в исключении самого источника шума, что не всегда возможно. Второе решение состоит в том, чтобы изменить импеданс контуров тока таким образом, чтобы сами токи были как можно ниже. Например, для уменьшения уровня синфазных шумов в понижающем или повышающем преобразователе следует уменьшить величину dv/dt (источник шума), увеличить импеданс за счет снижения паразитной емкости относительно плоскости заземления GND, использовать фильтрующие Y-конденсаторы и/ или синфазные дроссели. Подробная классификация методов снижения электромагнитных помех будет обсуждаться в четвертой статье из данного цикла.

Фильтрация дифференциальных и синфазных помех

Использование пассивных фильтров является наиболее распространенным способом борьбы с электромагнитными помехами. Как следует из названия, в пассивных фильтрах используются только пассивные компоненты. Создание силовых фильтров является достаточно сложной задачей, так как в схеме присутствует несколько источников шумов с различным импедансом (например, импульсный преобразователь, нагрузка и контуры тока) [3,4].

На рис. 4 представлен типовой p-фильтр для DC/DC-преобразователя. На этой же схеме изображен выпрямитель, цепи защиты от перенапряжений и эквивалент сети LISN.

Рис. 4. Типовой входной фильтр (a). Эквивалентная схема для дифференциальной составляющей (b) и синфазной составляющей CM (c)

Обмотки дросселя имеют магнитную связь и характеризуются синфазной индуктивностью L_CM1 и L_CM2. Дифференциальные индуктивности L_DM1 и L_DM2 представлены индуктивностями рассеяния двух связанных обмоток синфазного дросселя, но могут также быть представлены дискретными дросселями. CX1 и CX2 – конденсаторы фильтра для дифференциальных помех, а CY1 и CY2 – конденсаторы фильтра для синфазных помех.

Для упрощения анализа исходный фильтр разделен на эквивалентные схемы: для дифференциальной составляющей шума (рис. 4b) и синфазной составляющей шума (рис. 4c) [5]. Теперь расчет коэффициента ослабления для каждого из фильтров можно выполнять по отдельности. Стоит отметить, что в дальнейших рассуждениях предполагается, что исходный фильтр является идеально симметричным. Другими словами будем считать, что значения компонентов равны между собой

Печатная плата также полагается абсолютно симметричной.

Строго говоря, идеальная симметрия исходного фильтра и платы на практике невозможна, поэтому полностью разделить синфазный и дифференциальный фильтры не получится. В результате дифференциальный шум может трансформироваться в синфазный, и наоборот [6].

Разделение дифференциального и синфазного шума

Очень часто в ходе первых испытаний выясняется, что фильтр не обеспечивает достаточного ослабления помех. Для правильной настройки фильтра необходимо индивидуально исследовать синфазные и дифференциальные шумовые составляющие, генерируемые импульсным преобразователем. Раздельный анализ синфазных и дифференциальных составляющих помогает распознавать и устранять источники помех, а также оптимизировать процесс проектирования фильтра.

Как уже говорилось в предыдущем разделе, подавление синфазных и дифференциальных помех обеспечивают разные компоненты фильтра. По этой причине традиционный подход к анализу шумов заключается в разделении наведенного шума на синфазные и дифференциальные составляющие.

Для разделения синфазных и дифференциальных составляющих шума применяют как активные, так и пассивные схемы (рис. 5). В схеме пассивного разделителя (рис. 5a) используются широкополосные радиочастотные трансформаторы, например, из серии SWB1010 от Coilcraft, с импедансом Z_O 50 и 100 Ом для T1 и T2, соответственно. 50-омный резистор, включенный последовательно с входным импедансом ЭМИ-приемника на дифференциальном выходе, обеспечивает деление выходного напряжения на два в соответствии с формулой для V_DM, представленной на рис. 3 [5].

В активной схеме разделения используются малошумящие операционные усилители с высокой пропускной способностью (рис. 5б) [7]. Усилители U1 и U2 реализуют идеальную матрицу входного импеданса для выходов LISN, в то время как U3 и U4 формируют синфазное и дифференциальное напряжения, соответственно. В данной схеме синфазный дроссель L_CM, например, 744222 от Würth Elektronik, обеспечивает подавление синфазной составляющей на входе усилителя U4 (коэффициент ослабления синфазного сигнала КООС ® –¥ дБ) и минимизирует перекрестную связь CM-DM.

Рис. 5. Варианты схем разделения синфазного и дифференциального шума: пассивная (a) и активная (b)

Практический пример – автомобильный синхронный повышающий преобразователь

Рассмотрим пример автомобильного синхронного повышающего преобразователя (рис. 6). Повышающие регуляторы часто используются в автомобильных приложениях для компенсации провалов напряжения, в том числе при запуске стартера [8].

Рис. 6. Измерение уровня электромагнитных помех автомобильного синхронного повышающего преобразователя согласно CISPR 25 с использованием эквивалента сети (LISN) 50 Ом/ 5-мГн

В нашем случае радиатор силового МОП-транзистора закреплен на заземляющей плоскости GND, что соответствует непосредственному монтажу на заземленном шасси автомобиля. Такой подход обеспечивает хороший теплоотвод и высокую надежность работы преобразователя, но расплатой за это становится увеличение уровня синфазных помех. В схеме, изображенной на рис. 6, в соответствии с требованиями CISPR 25 на каждой силовой линии L1 и L2 присутствует эквивалент сети (LISN).

Чтобы проанализировать пути распространения синфазного шума повышающего преобразователя, полевые МОП-транзисторы Q1 и Q2 заменены эквивалентными источниками переменного напряжения и тока (рис. 7) [9]. На эквивалентной схеме также изображены паразитные составляющие, в том числе дросселя L_F, входного конденсатора C_IN и выходного конденсатора C_OUT и других компонентов. В частности, C_RL-GND – паразитная емкость, образованная нагрузкой и шасси (плоскость GND), которая включает емкость длинных проводов, а также другие емкостные элементы, входящие в состав нагрузки (например, изолированный преобразователь с заземленной вторичной стороной или заземленный электродвигатель с большим металлическим корпусом).

Рис. 7. Высокочастотная эквивалентная схема повышающего синхронного преобразователя с эквивалентом сети LISN. Выполняется измерение только тех синфазных помех, которые проходят LISN

Основным источником синфазных помех становятся коммутации силового ключа (SW-узел). Эффективные паразитные емкости, образованные SW и шасси, а также SW и радиатором на схеме представлены конденсаторами C_P1 и C_P2, соответственно. На рис. 8 показана упрощенная схема для случая, когда большая часть синфазных токов приходится на контур, образованный паразитными емкостями SW-узла.

Рис. 8. Упрощенная эквивалентная схема для случая, когда большая часть синфазных токов приходится на контур, образованный паразитными ёмкостями SW-узла

Заключение

В статье были рассмотрены варианты распространения дифференциальных и синфазных кондуктивных помех с учетом паразитных емкостных и индуктивных связей, а также предложены способы разделения синфазных и дифференциальных составляющих шума. Разделение синфазных и дифференциальных составляющих помогает разработчикам распознавать и устранять источники помех, а также оптимизировать процесс проектирования фильтра. Особенности измерения синфазных помех были продемонстрированы на примере автомобильного синхронного повышающего преобразователя.

В промышленности значительная часть потребления электрической энергии приходиться на вентиляционные, насосные и компрессорные установки, конвейера и подъемные механизмы, электроприводы технологических установок и станков. Данные механизмы чаще всего приводятся в действие асинхронными двигателями переменного тока. Для управления режимами работы асинхронных двигателей, в том числе и для снижения их энергопотребления, крупнейшие мировые производители электротехнического оборудования предлагают специализированные устройства - преобразователи частоты. Вне всякого сомнения, частотные преобразователи (которые еще называют преобразователями частоты, инверторами или сокращенно ПЧ) являются крайне полезными устройствами, способными значительно облегчить режимы пуска и работы асинхронных двигателей. Но в некоторых случаях преобразователи частоты могут оказывать и негативное влияние на подключенный электродвигатель.

Из-за особенностей конструкции частотного преобразователя его выходное напряжение и ток имеют искаженную, несинусоидальную форму с большим количеством гармонических составляющих (помех). Неуправляемый выпрямитель преобразователя частоты потребляет нелинейный ток, загрязняющий сеть электроснабжения высшими гармониками (5, 7, 11 гармоника и т. д.). ШИМ - инвертор преобразователя частоты генерирует широкий спектр высших гармоник с частотой 150 кГц-30 МГц. Питание обмоток двигателя таким искаженным несинусоидальным током приводит к появлению таких негативных последствий как тепловой и электрический пробой изоляции обмоток двигателя, увеличение скорости старения изоляции, увеличение уровня акустических шумов работающего двигателя, эрозии подшипников. Кроме того, преобразователи частоты могут являться мощным источником помех в электрической сети питания, оказывая негативное влияние на другое электрическое оборудование, подключенное к этой сети. Для ослабления отрицательного воздействия гармонических искажений, генерируемых ПЧ в процессе работы, на электрическую сеть, электродвигатель и собственно сам преобразователь частоты применяют различные фильтры.

Сетевые дроссели

Сетевой дроссель является двухсторонним буфером между сетью электроснабжения и преобразователем частоты и защищает сеть от высших гармоник 5, 7, 11 порядка с частотой 250Гц, 350 Гц, 550 Гц и т.д. Кроме того, сетевые дроссели позволяют защитить преобразователь частоты от повышенного напряжения сети питания и бросков тока при переходных процессах в питающей сети и нагрузке ПЧ, особенно при резком скачке сетевого напряжения, который бывает, например, при отключении мощных асинхронных двигателей. Сетевые дроссели с заданным падением напряжения на сопротивлении обмоток около 2% от номинальной величины сетевого напряжения предназначены для применения с преобразователями частоты не осуществляющими регенерацию энергии, освобождающейся при торможении двигателя обратно в систему электропитания. Дроссели с заданным падением напряжения на обмотках около 4% предназначены для работы комбинаций преобразователей и автотрансформаторов с функцией регенерации энергии торможения двигателя в систему электропитания.

Сетевые дроссели рекомендуется применять:

при наличии в сети электропитания значительных помех от другого оборудования;
при асимметрии напряжения питания между фазами более 1,8 % от номинальной величины напряжения;
при присоединении преобразователя частоты к питающей сети с очень низким полным сопротивлением (например, при запитке ПЧ от рядом расположенного трансформатора, мощность которого более чем в 6-10 раз больше мощности ПЧ);
при присоединении большого количества преобразователей частоты к одной линии электропитания;
при питании от сети, к которой подключены другие нелинейные элементы, создающие существенные искажения;
при наличии в схеме электроснабжения батарей конденсаторов (компенсаторов реактивной мощности), повышающих коэффициент мощности сети.

Преимущества применения сетевых дросселей:

Защищают преобразователь частоты от импульсных всплесков напряжения в сети;
Защищают преобразователь частоты от перекосов фаз питающего напряжения;
Уменьшают скорость нарастания токов короткого замыкания в выходных цепях преобразователя частоты;
Повышают срок службы конденсатора в звене постоянного тока ПЧ.

ЭМИ–фильтры

По отношению к питающей сети частотно регулируемый привод (ПЧ+двигатель) является переменной нагрузкой. В совокупности с индуктивностью силовых кабелей это приводит к возникновению высокочастотных флуктуаций сетевого тока и напряжения и, следовательно, к электромагнитному излучению (ЭМИ) силовых кабелей, что может отрицательно сказаться на работе других электронных приборов. Фильтры электромагнитных излучений необходимы для обеспечения электромагнитной совместимости при установке преобразователя в местах, критичных к уровню помех питающей электросети.

Конструкция и область применения фильтров dU/dt

Фильтр dU/dt представляет собой Г-образный фильтр низких частот, состоящий из дросселей и конденсаторов. Номиналы индуктивностей дросселей и конденсаторов подобраны таким образом, чтобы обеспечивалось подавление частот выше частоты коммутации силовых ключей инвертора ПЧ. Величина индуктивности обмотки дросселя фильтра dU/dt находится в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен мкГн, емкость конденсаторов фильтра dU/dt обычно находиться в пределах нескольких десятков нФ. За счет применения фильтра dU/dt удается снизить пиковое напряжение и отношение dU/dt импульсов на клеммах двигателя примерно до 500 В/мкс, тем самым защитив обмотку двигателя от электрического пробоя.

Фильтры dU/dt рекомендованы для применения в следующих случаях:

Частотноуправляемый привод с частым рекуперативным торможением;
Привод с двигателем, не рассчитанным на работу с преобразователем частоты и не соответствующим требованиям стандарта IEC 600034-25;
Привод со старым двигателем (с низким классом изоляции), или с двигателем общего назначения не соответствующим требованиям стандарта IEC 600034-17;
Привод с коротким моторным кабелем (менее 15 метров);
Частотнорегулируемый привод, двигатель которого установлен в агрессивной среде или работает при высоких температурах;
С двигателями общего назначения, использующими напряжение 690 В.

Так как фильтр dU/dt имеет сравнительно низкие значения индуктивности и емкости, то волна напряжения на обмотках двигателя еще имеет форму двуполярных прямоугольных импульсов вместо синусоиды. Но ток, протекающий через обмотки двигателя, уже имеет форму практически правильной синусоиды. Фильтры dU/dt могут использоваться на частоте коммутации ниже номинального значения, но следует избегать использовать их на частоте коммутации выше номинального значения, поскольку это вызовет перегрев фильтра. Фильтры dU/dt иногда называют моторными дросселями. В конструкции большинства моторных дросселей отсутствуют конденсаторы, а обмотки катушек имеют более высокую индуктивность.

Конструкция и область применения синусных фильтров

Конструкция синусных фильтров (синус-фильтров) аналогична конструкции фильтров dU/dt с той лишь разницей, что в них установлены дроссели и конденсаторы большего номинала, образующие LC-фильтр с частотой резонанса менее 50% от частоты коммутации (несущей частоты ШИМ-инвертора). За счет этого обеспечивается более эффективное сглаживание и подавление высоких частот и синусоидальная форма фазных напряжений и токов двигателя. Величина индуктивностей синусного фильтра находиться в пределах от сотен мкГн до десятков мГн, емкость конденсаторов синусоидального фильтра от единиц мкФ до сотен мкФ. Поэтому размеры синус-фильтров велики и сравнимы с размерами частотного преобразователя, к которому данный фильтр подключен.

При применении синусных фильтров отпадает необходимость в использовании специальных двигателей с усиленной изоляцией сертифицированных для работы с преобразователями частоты. Также уменьшается акустический шум от двигателя и подшипниковые токи в двигателе. Уменьшается нагрев обмоток двигателя, вызванный наличием токов высокой частоты. Синусные фильтры позволяют использовать более длинные моторные кабели в тех случаях применения, когда двигатель установлен далеко от преобразователя частоты. Одновременно с этим синусный фильтр устраняет импульсные отражения в моторном кабеле, благодаря чему уменьшаются потери в самом преобразователе частоты.

Синусные фильтры рекомендованы для применения в следующих случаях:

Когда требуется устранить акустический шум от двигателя при коммутации;
При запуске старых двигателей с изношенной изоляцией;
В случае эксплуатации с частым рекуперативным торможением и с двигателями, не соответствующими требованиям стандарта IEC 60034-17;
Когда двигатель установлен в агрессивной внешней среде или работает при высоких температурах;
При подключении двигателей экранированными или неэкранированными кабелями длиной от 150 до 300 метров. Использование кабелей двигателя длиной более 300 метров зависит от конкретного применения.
При необходимости увеличить интервал техобслуживания двигателя;
При пошаговом увеличении напряжения или в других случаях, когда преобразователь частоты питается от трансформатора;
С двигателями общего назначения, использующими напряжение 690 В.

Синусные фильтры могут использоваться с частотой коммутации выше номинального значения, но их нельзя использовать при частоте коммутации ниже номинального значения (для данной модели фильтра) более чем на 20 %. Поэтому в настройках частотного преобразователя следует ограничить минимально возможную частоту коммутации в соответствии с паспортными данными фильтра. Кроме того, в случае применения синусного фильтра не рекомендуется повышать частоту выходного напряжения ПЧ выше 70 Гц. В некотором случае необходимо ввести в ПЧ значения емкости и индуктивности синус–фильтра.

В процессе работы синус–фильтр может выделять большое количество тепловой энергии (от десятков Вт до нескольких кВт) поэтому их рекомендуется устанавливать в хорошо вентилируемых местах. Также работа синус-фильтра может сопровождаться наличием акустического шума. При номинальной нагрузке привода на синус‐фильтре будет падать напряжение около 30 V. Это нужно учитывать при выборе электродвигателя. Падение напряжения может быть частично скомпенсировано уменьшением точки ослабления поля в настройках частотного преобразователя, и до этой точки на двигатель будет подаваться корректное значение напряжения, но на номинальной скорости напряжение будет пониженным.

Дроссели dU/dt, моторные дроссели и синусные фильтры должны соединяться с выходом преобразователя частоты экранированным кабелем минимально возможной длины. Максимальная рекомендованная длина кабеля между преобразователем частоты и выходным фильтром:

2 метра при мощности привода до 7,5 кВт;
5-10 метров при мощности привода от 7,5 до 90 кВт;
10-15 метров при мощности привода выше 90 кВт.

Конструкция и область применения высокочастотных фильтров синфазных помех

Высокочастотный фильтр синфазных помех представляет собой дифференциальный трансформатор с ферритовым сердечником, "обмотками" которого являются фазные провода моторного кабеля. Высокочастотный фильтр снижает высокочастотные синфазные токи, связанные с электрическими разрядами в подшипнике двигателя, а также уменьшает высокочастотные излучения от кабеля двигателя, например, в случаях использования не экранированных кабелей. Ферритовые кольца высокочастотного фильтра синфазных помех имеют овальную форму для упрощения монтажа. Через отверстие в кольце пропускаются все три фазных провода моторного кабеля, присоединенные к выходным клеммам U, V и W частотного преобразователя. Важно пропустить все три фазы моторного кабеля через кольцо, иначе оно будет насыщаться. Не менее важно не пропускать через кольцо провод защитного заземления PE, какие-либо другие провода заземления или нулевые проводники. В противном случае кольцо утратит свои свойства. В ряде случаев применения может потребоваться собрать пакет из нескольких колец для исключения их насыщения.

Ферритовые кольца могут быть установлены на моторном кабеле со стороны выходных клемм преобразователя частоты (клеммы U, V, W) или в соединительной коробке электродвигателя. Установка ферритовых колец ВЧ - фильтра со стороны клемм преобразователя частоты снижает как нагрузку на подшипники двигателя, так и высокочастотные электромагнитные помехи от кабеля двигателя. При установке непосредственно в соединительной коробке двигателя фильтр синфазных помех снижает только нагрузку на подшипники и не воздействует на электромагнитные помехи от кабеля двигателя. Необходимое количество колец зависит от их геометрических размеров, длины кабеля двигателя и рабочего напряжения преобразователя частоты.

При нормальной эксплуатации температура колец не превышает 70 °C. Температура колец выше 70 °C указывает на их насыщение. В этом случае требуется установить дополнительные кольца. Если кольца продолжают входить в режим насыщения, это означает, что моторный кабель слишком длинный, слишком большое число параллельных кабелей, либо используется кабель с высокой погонной емкостью. Также не следует использовать в качестве моторного кабеля кабель с жилами секторообразной формы. Следует применять только кабели с жилами круглой формы. Если температура окружающей среды выше 45 - 55 °C, то снижение номинальных характеристик фильтра становится весьма значительным.

При использовании нескольких параллельных кабелей при выборе количества ферритовых колец необходимо учитывать суммарную длину этих кабелей. Например, два кабеля длиной 50 м каждый эквивалентны одному кабелю длиной 100 м. Если используется много параллельных двигателей, то на каждом из них необходимо установить отдельный комплект колец. Ферритовые кольца могут вибрировать под воздействием переменного магнитного поля. Эта вибрация может привести к износу материала изоляции кольца или кабеля за счет постепенного механического истирания. Поэтому ферритовые кольца и кабель следует жестко зафиксировать пластиковыми кабельными стяжками (хомутами).

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.

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.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Синфазные дроссели можно встретить в составе сетевых фильтров практически в любой аппаратуре, имеющей импульсный блок питания. Но не это является основной сферой их применения, а интерфейсы и каналы связи. Фильтры, построенные на синфазных дросселях, эффективнее всего подавляют дифференциальные помехи. При этом сохраняется линейная зависимость пропускных характеристик фильтра, неподконтрольная уровню сигнала. Также сердечник синфазного дросселя не насыщается, из-за чего его параметры остаются неизменными.

Свойства синфазных дросселей

Синфазный дроссель состоит из двух идентичных катушек, изолированных друг от друга и намотанных на одном сердечнике.

Начала либо концы обмоток являются входом пассивного устройства, а выходом служат остальные соответствующие выводы катушек. Помехи на проводниках, подключённых ко входу синфазного дросселя, встречают высокое индуктивное сопротивление обеих катушек и подавляются.

Параметры

К важным характеристикам, которые нужно учитывать при построении схем, являются такие физические и электрические параметры:

Габариты устройства, конструктивное исполнение;
Способ монтажа на плату;
Импеданс на фиксированной частоте;
Сопротивление по постоянному току;
Максимально допустимый ток.

Для сетевых фильтров учитывается ещё сопротивление изоляции и максимально допустимое напряжение между катушками прибора. Синфазные дроссели, используемые для интерфейсов и сигнальных фильтров, характеризуются также индуктивностью и процентным отклонением от этого параметра.

Применение

Фильтры, состоящие из синфазных дросселей, используются для подавления помех в питающих или сигнальных цепях.

Фильтры в цепях питания

Достоинством синфазных дросселей, работающих в цепях фильтров постоянного или переменного низкочастотного тока, является их низкое сопротивление постоянному току. Поэтому их с успехом можно применить в низковольтных цепях, практически без падения напряжения на катушках прибора.

В сетевых синфазных фильтрах, работающих на частоте 50 Гц, сопротивление для низкочастотного сигнала также не велико. Но помехи и высокочастотные составляющие на обмотках синфазного дросселя подавляются практически до нуля. Это позволяет использовать синфазные дроссели небольших габаритов, намотанные на лёгких ферритовых сердечниках, для мощных аппаратов. При этом обмотки практически не греются, такие фильтры являются высокоэкономичными. А электрические свойства синфазного дросселя способствуют эффективному подавлению мощных импульсных помех.

Фильтры сигналов в сигнальных интерфейсах

Сигнальные фильтры, построенные на базе синфазных дросселей менее критичны к сопротивлению обмотки, потому что в таких цепях нагрузки используются, обычно, высокооомные и обмотки рассчитываются на небольшие токи. Поэтому катушки в них наматывают из тонкой проволоки и габариты сердечников уменьшают до минимума. Наиболее компактными являются дроссели в корпусах для smd-монтажа.

Для эффективного подавления помех в аналоговых, также в цифровых сигналах, применяют синфазные дроссели для таких интерфейсов:

Выпускаются также приборы, в корпусе которых содержится несколько одинаковых по параметрам синфазных дросселей. Такие чип-дроссели используются, чаще всего, в дисплеях для подавления помех, поступающих вместе с полезным сигналом со шлейфов.

Заключение

Благодаря простоте устройств синфазных дросселей их стоимость невысокая. Для уменьшения сопротивления по постоянному току возможно применение серебра, что немного увеличивает их цену. Однако по свойствам с этими пассивными изделиями не сможет сравниться ни один, даже интегральный компонент.

В каналах связи различных интерфейсов синфазные дроссели активно подавляют шумы в несколько раз превышающие амплитуду полезного сигнала, уровень которого может быть предельно малым. Компактные smd-детали такого типа применяют в портативной аппаратуре в эффективных и экономичных фильтрах питания, также в интерфейсах.

Читайте также: