Синусоидални филтри за честотни инвертори

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2008

Синусоидални филтри за честотни инверториСинусоидални филтри за честотни инверториСинусоидални филтри за честотни инверториСинусоидални филтри за честотни инверториСинусоидални филтри за честотни инвертори

Изправят синусоидата, увеличават дължината на кабелите, намаляват шума на ЕД

   ъвременните регулируеми електрозадвижвания (ASD или adjustable speed drives) намират все по-широко приложение в различни сфери на промишлеността, роботизацията, авиацията, космонавтиката и др. Честотните инвертори (ЧИ) имат безспорни предимства, но и редица недостатъци, незабележими на пръв поглед (вж. Инженеринг ревю 3/2008 г.). Сред тях е високата скорост на нарастване на напрежението (du/dt) и тока (di/dt). В стремежа да се обезпечат оптимални динамични характеристики и да се намали нивото на загубите, ЧИ работят с правоъгълни импулси със стръмни фронтове на нарастване, например 15kV/ms и 2kA/ms. Отделянето на топлина в силовия ключ се наблюдава само по време на превключване. Колкото по-късо е времето на превключване, толкова по-малко количество топлинна енергия трябва да разсее силовият ключ. Съответно, при по-добър температурен режим и по-малки габарити и тегло на ЧИ нараства нивото на електромагнитните смущения, възникващи при комутацията. До неотдавна синусоидални филтри се поставяха само на мощни и свръхмощни устройства. Мотивът бе, че не е изгодно маломощните устройства да се усложняват и оскъпяват излишно. Към днешна дата ситуацията е променена. Нивото на хармониците, генерирани от ЧИ, е регламентирано с редица стандарти - IEEE519, EN55022, CISPR22.
Независимо че съвременните ЧИ имат вградени мрежови филтри и оптимизирана топология на сигналните и измерителните вериги, в редица приложения работата им не съответства на стандартизационните изисквания. Именно по тази причина се използват външни синусоидални филтри (Sinusoidal filters for variable-frequency inverters).

Съвременна оценка на фактора на мощността
Специалистите в областта познават добре двете характеристики - коефициента на формата (Distortion Factor), равен на kD=I1/IRMS, както и коефициента на нелинейни изкривявания на тока (Total Harmonic Distortion), изразяван чрез уравнението THD = 100 Ц(1/kD2 - 1%). Те отразяват наличието на паразитни сигнали, наложени върху синусоидалното напрежение. Например на THD = 10% съответства kD=0,995. За практиката е от особена важност, че точното определяне на kD би могло да се направи чрез нивото на хармониците на тока. При несинусоидален ток с фазова разлика j спрямо напрежението и определен коефициент на формата, факторът на мощността (power factor) се пресмята като PF = kDcos j. За осигуряване на дадена активна мощност на консуматора е необходима привидна мощност Papp=S/kD.cosj. Следователно, в колкото по-висока степен напрежението се отличава от синусоидалната форма, толкова по-голяма привидна мощност трябва да се достави на консуматора. До преди няколко години концепцията за коригиране фактора на мощността беше основно големината на ъгъла j. Днес, оценката е комплексна, включваща както ъгъла j, така и коефициента на формата и коефициента на нелинейни изкривявания на синусоидалното напрежение.

По-високи изисквания към ЕД с ЧИ
Чрез разглеждане на проблеми, възникващи при използване на ЧИ, ще се постараем да дадем отговори на някои проблеми, свързани с употреба им, както и съвети към потребителите на синусоидални филтри. Целта ни е да подпомогнем избора на най-ефективен и икономически изгоден синусоидален филтър, посредством използването на който да се увеличи надеждността и производителността на електрозадвижването.
Известно е, че в зависимост от режима на работа, ЕД с честотен инвертор имат на входа на клемната си кутия напрежение с честота 2 - 16 KHz. Стръмните фронтове на това напрежение състаряват изолацията и лагерите на ЕД преждевременно. Дискретно формираното напрежение Uизх зависи от текущата честота и съдържа последователни импулси с 1,35 пъти по-голяма амплитудна стойност в сравнение със захранването на ЧИ и е със стръмни фронтове на нарастване.
Стръмността на фронта на правоъгълния импулс зависи от силовия ключ и схемното решение на честотния инвертор. Стойността й е:
l 4 -10 ms при еднооперационни тиристори SCR;
l 2 - 4 ms за двуоперационни (запушваеми) тиристори GTO и 0,5 - 2 ms при IGC;
l 0,05 - 0,1 ms при силови транзистори IGBT.
Статистически, пробивът в изолацията на ЕД се наблюдава в положителната част на фронта на нарастване на правоъгълния импулс. Затова към ЕД се поставят по-високи изисквания, когато работят съвместно с ЧИ. В таблица 1 са показани редица измерени стойности.

Синусоидалният филтър намалява и шума, и вихровите токове
Проведени изпитания в електролаборатория на водеща фирма с ЕД с мощност 11 kW, свързан към ЧИ 15 kW и екраниран кабел с дължина 50 m, вследствие на отразената вълна въртящият момент е намалял с 5% и вибрациите на вала му са нараснали с 2%. Също така е увеличено нагряването на намотките му с 4%. Първите няколко навивки от фазната намотка са поели 75% от пика на индуктираното напрежение със стойност 1,4kV. Последователното пълно съпротивление се е увеличило с повишаване на тактовата честота, дори при сравнително малки токове. Превишаването на du/dt е с толкова голяма стойност, че е надвишена диелектричната якост на изолацията. По тази причина, някои водещи производители окомплектоват електрозадвижванията си със собствени ЕД с усилена изолация на намотките.
Наред с композиционното и схемно оптимизиране, при свързване на отделните звена в ЧИ остава необходимостта от монтиране на синусоидален филтър. Той би ограничил пиковете на пулсиращото напрежение между ЧИ и ЕД до регламентираното от стандарта. При използване на филтър обвивната крива на тактираното напрежение се доближава до синусоидалното (фиг.1), а шумът и вихровите токове намалят. Внесеното затихване се определя от комбинацията на вълновото съпротивление на източника на смущението, товара и съединителния кабел. Съгласно препоръки на водещи фирми, при тактова честота по-висока от 2 kHz, за понижаване на риска от възникване на електрически резонанс (поради проявяване на вълновите свойства на "дългия кабел" и реактанса на намотката на ЕД) трябва да се използват външни филтри за електромагнитна съвместимост.
Ако се използват само наситени дросели, съществува опасност от увеличаване на паразитните напрежения поради нелинейност на магнитната верига на дросела. Това налага използването на дросели с въздушна междина, набор от кондензатори и резистори за коригиране на електрическия ъгъл. Задачата се усложнява още, ако няколко ЕД работят с един ЧИ.

Ограничаване на високочестотните съставни
Интересен е въпросът какъв е пътят на разпространение на паразитните високочестотни съставни? Една част от тях попадат на входа на източника на захранване през капацитета между навивките на силовия трансформатор, капацитета между корпуса на силовия полупроводник и заземената шина на модула на захранване. Други се разпространяват по печатните проводници на платката на силовия модул. Трети пък преминават през капацитета на силовия кабел, между жилата и тези на бронята му. Основните решения за ограничаването им са:
l Трасиране на печатната платка на силовия модул с отчитане на паразитните капацитети, създавани от силовите елементи. Прилагани мероприятия - изолиране на силовите полупроводници от радиаторите им, както и използване на вътрешни пасивни филтри, външни активни синусоидални филтри, външни противосмутителни филтри.
l Мероприятия, извън ЧИ, от страна на входа или изхода му.
l Използване на многостъпален ЧИ и на външни активни синусоидални филтри.
Първото решение е насочено непосредствено към разработването на захранващия модул. Цели да бъде намалено паразитното излъчване, но приложението му има ограничение - габаритите на печатната платка, както и високата плътност на монтажа, непозволяващи на конструкторите да сведат до минимум паразитните капацитети.
Приложението на второто решение също е свързано с ограничения. Необходимо е да се използват многозвенни филтри с много голямо количество кондензатори и дросели. Това води до усложнения при разработването на топологията на печатната платка и като резултат увеличение на габаритите и масата на ЧИ.
Третото решение, включващо използването на външен активен синусоидален филтър, се приема като добро, но води до увеличаване габаритите на ЧИ и цената му.

Подобрява стойността на du/dt
След поставяне на подходящ синусоидален филтър, стойността на du/dt се понижава до приемливи стойности. Монтажът на подобни филтри се препоръчва и на стари ЕД, които не са окомплектовани с ЧИ. Ограничаването на стойността на du/dt е задължителна добавка към изходния контур на паралелни стабилизатори с ниска индуктивност. За тях синусоидалните филтри са задължителни. В такива случаи е достатъчно да се контролира само нарастването на напрежението на клемите на ЕД. Пикови пренапрежения могат да се очакват и в резултат на отражение на вълната в края на линията (ЕД) и в крайна сметка да пробият изолацията му. Високите работни честоти и крайно бързото превключване със стръмни фронтове създава допълнителни изисквания към дължината на захранващия кабел.
При свързване на ЕД е необходимо да се отчете особеността на разпространение на високочестотните вълни в проводник. Известно е, че в подобни приложения силовият кабел теоретично се разглежда като вълновод със съсредоточени параметри. Характеристиката на дългия електрически кабел зависи пряко от вълновото му съпротивление, което е от порядъка на 40 - 70 W. Импулсните напрежения, генерирани от ЧИ, постъпват на клемите на ЕД във вид на отразена или стояща вълна. Тя, от своя страна, в зависимост от фазата й, би могла да предизвика двукратно увеличение на напрежението на клемите на ЕД.
Лаковият намотъчен проводник на бобините на ЕД не е разчетен на подобни пикови подскоци на напрежението и вероятността изолацията му да издържи дълго е малка. Синусоидалните филтри отстраняват този вреден ефект на отразената вълна и понижават напрежението на клемите на ЕД до приемливо ниво, предотвратяващо повреда на ЕД и аварийна ситуация. Както вече бе подчертано, синусоидалният филтър също подобрява и du/dt на управляемото електрозадвижване.

Как работи синусоидалният филтър?
Работата на синусоидалния филтър (фиг. 2,3), преобразуващ широчинно-модулираните импулси на електрозадвижването в синусоидален сигнал, е базирана на два принципа - класически (дросели и кондензатори) и активен (софтуерно управляеми от полупроводници реактивни елементи).
Използването на промишлени ЧИ усложнява обезпечаването на нормите за електромагнитна съвместимост (Директива ЕС № 89/336 и стандарти EN55022 и VDE0871). Честотният диапазон на високочестотните кондуктивни излъчвания е от 150 KHz до към 30 MHz. Идеалното правоъгълно напрежение, създадено от ЧИ, би могло да се разложи в ред на Фурие на синусоидални функции с дискретен линеен спектър с обвивна крива, имаща пад -20db/dec (децибела на декада). Всички спектрални линии се явяват хармоници, кратни на основната честота. Кондуктивните, от своя страна, са симетрични (диференциални - differential mode) и несиметрични (синфазни или в общ вид - common mode) - фиг. 4 и 5.
Синусоидалният филтър понижава амплитудите на хармониците на основния сигнал (около 3 kHz). Хармониците с честоти, по-високи от 15 kHz, представляват радиосмущения и нивото им се измерва в db/mV. Зависещият от честотата импеданс образува LC филтър (индуктивност и капацитет) за ниски честоти от първи порядък. Граничната честота се избира така, че да пропуска само необходимия сигнал при минимална загуба на енергия. Характерният пад на напрежението е 5-20 V, което не пречи да се използват ЕД с висок въртящ момент.
Високочестотните компоненти създават нелинейни изкривявания от порядъка на 5 - 8%. Съществуват и усъвършенствувани версии, отговарящи на повишените съвременни изисквания.

Синусоидалните филтри са няколко вида
и, както вече бе подчертано, се използват за понижаване на шумовете и потискане на хармониците в мрежата до синусоидални напрежение и ток. Вградената бобина с определена индуктивност играе ролята на реактивен контур, който акумулира енергия в магнитно поле и после го преобразува в електрическа енергия във веригата на товара. Последиците при захранване на електроапаратурата от несинусоидално напрежение са добре известни на бранша. Важно е да се знае, че смущенията, предизвикани от работата на честотен инвертор с електродвигател, съществено се различават от другите видове смущения. Значително се отличават и методите за потискането им. Водещите фирми са разработили три или четири “семейства” изходни синусоидални филтри за предпазване на мрежата от паразитните сигнали.
Най-елементарните и нескъпи филтри са настроени на първа производна на напрежението dV/dt. Те решават доста проблеми, като ограничават скоростта на изменение на напрежението и понижават напрежението (SAG) в захранващия блок. Това позволява избор на по-маломощен инвертор при отчитане паразитното натоварване на захранващия кабел при работа с високочестотни сигнали (ВЧ). Наличието на такъв филтър понижава също и натоварването на изолацията и лагерите в електродвигателя и позволява да се реализира целият му ресурс.

Безекранни филтри
На практика входните и изходните филтри могат взаимно да си оказват отрицателно влияние. Особено внимание трябва да се обръща в случаите на вграден в честотния инвертор филтър. Възможно е конфликтът да възникне веднага щом се включи входният филтър. Затова водеща компания е разработила концепцията за безекранен филтър, който обединява в един корпус напълно съгласувани входен и изходен филтър.
Диапазонът на работните токове на безекранните синусоидалните филтри е доста широк, например 6 - 63 А. Възможно е да се използват с кабел с дължина до около 600 m. Кабелите не се нуждаят от екраниране, което е преимущество, ако вече са положени или е необходимо да са гъвкави (шлангови). Процедурата за монтаж на подобни филтри е елементарна и не изисква квалифициран персонал.

Специални филтри
Представляват тококомпенсиращи дросели и са полезни в случаи, когато е необходимо да се обезпечи специален режим на филтрите. Съществуват дросели с две, три и четири тококомпенсиращи намотки на тороидален магнитопровод. Дроселите са голямо съпротивление за смущаващите сигнали, течащи от честотния преобразувател към електрическата мрежа. Ако не е възможно да се използва стандартен филтър поради съображения като размер или цена, с помощта на тококомпенсиращия дросел може да се създаде филтър за конкретната ситуация.

Филтър за върната енергия
В определени ситуации електродвигателите биха могли да върнат част от енергията в електрическата мрежа. Типични примери за това са вдигнат товар на някаква височина, който трябва да се спусне. Потенциалната енергия на товара се преобразува в електрическа с помощта на електродвигател, който в този случай работи като генератор. Много от водещите компании произвеждат филтри, които са предназначени за работа с честотни инвертори, връщащи енергия в електрическата мрежа.
В случай на проблем с електромагнитната съвместимост, само тестове биха могли да покажат кое решение е оптимално в конкретната ситуация. Ако от производителя на честотния инвертор няма пълна документация и инструкция за електромагнитна съвместимост (EMI), консултацията със специалист е задължителна. Целта е да се обезпечи правилно функциониране на филтрите и да се предотврати използване на неподходящи и скъпи филтри, които ще бъдат слабо ефективни и ще работят в неподходящия честотен диапазон. Повечето производители на честотни инвертори разполагат с лицензирани лаборатории или поддържат добри контакти с такива.
Само коректният избор на тип честотен инвертор, в съчетание с подходящ синусоидален филтър, би могъл да реши много проблеми с паразитните сигнали в силовото захранване. Важно е да се отбележи, че за добра електромагнитна съвместимост от определящо значение е правилният подбор на компонентите, участващи във филтъра.
Някои синусоидални филтри са активен тип и се нуждаят от захранване и съответен софтуер (фиг. 6). Неправилният им избор би могъл да доведе дори до увеличаване нивото на смущенията. Задължително е използването на синусоидални филтри, когато дължината на кабела е от 30 до 300 m, както и когато един ЧИ захранва повече от един ЕД. Също така, те са необходими за осигуряване на необходимата степен на надеждност при пробив на захранващ кабел към земя. Възникващите в този случай пренапрежения от земното съединение следва да бъдат потиснати. Както вече бе посочено, синусоидални филтри са задължителни при работа на ЧИ със стар ЕД.

Наблюдава се пад на напрежението във филтъра
Техен недостатък е падът на напрежение във филтъра, представляващо 5-12%, което налага необходимостта от повишаване на изходното напрежение на ЧИ. Задължително се използват изолирани лагери за ЕД при мощности по-големи от 75 kW.
Предимства на синусоидалните филтри са:
l потискат високочестотните компоненти,
l увеличават допустимата дължина на използвания кабел,
l допускат използването на неекраниран кабел,
l не излъчват вредни електрически и електромагнитни емисии,
l позволяват избягване на текущите пикове в напрежението,
l намалява се шумът на ЕД,
l могат да се използват със стари ЕД,
l удължава се животът на лагерите на ЕД,
l подобрява се топлинният режим на ЕД.
Като недостатъци на филтрите, някои специалисти посочват:
l големите дросели, използвани във синусоидалните филтри, понякога се нуждаят от компенсация;
l някои от интелигентните синусоидални филтри се предлагат в комплект със съответното програмно обезпечаване, при използване на стъпков дросел с цел избягване на насищането му;
l ЧИ трябва да достави по-голямо напрежение на входа на филтъра, поради пада на напрежение (5-30%) в него;
l активните изискват електрозахранване и софтуер.

Електромагнитни аномалии, възникващи при липса на филтри
Направени експериментални изследвания от различни групи специалисти за установяване на реалното функциониране на електрическата мрежа 220/380V с честота 50 Hz показват, че напрежението на захранване на потребителите се колебае от порядъка на ±13% (по стандарт ±5%). А в отделни моменти значително се различава от тези стойности. Били са наблюдавани импулсни смущения с амплитуда 5 - 500V и продължителност няколко до десетки ms. В отделни случаи импулсите са достигали и надхвърляли ниво от 1000 V с фронт на нарастване 10 ns при пад на напрежението от 15 - 30% за от 1 до 15 - 30 периода и др. В отделни случаи са забелязвани и стръмни импулси с ниво от 1 до 4 kV.

Концепцията за т. нар. гладка синусоида
Съвременно решение на проблема е концепцията за т.нар. гладка синусоида, използваща многостъпален инвертор (вж. Инженеринг ревю 3/2008 г.). За разлика от старите синусоидални филтри, капацитивният ток на ЕД и земя е сведен практически до нула. Това позволява използването на неекраниран кабел с дължина до 1 km.
Изискванията за електромагнитна съвместимост лесно се обезпечават дори и при работа на съвременни честоти инвертори. При заземяване на силовия модул нарастват смущенията от 75 db/mV до 92 db/mV в диапазона 0,2 - 8 MHz. Величината се колебае в зависимост от дебелината, площта и диелектрическата проницаемост на подложката. Затова всички ключове в съвременните ЧИ са електрически изолирани от корпуса.

Методът е с доказана ефективност
Обезпечаването на електромагнитна съвместимост при мощните ЧИ е доста сериозен проблем. Многобройните изследвания, проведени в това направление, показват, че нивото на паразитните напрежения зависи от топологията и структурата на електрическите връзки, вътре в ЧИ. Борбата с вредните излъчвания и доближаването на мрежовото напрежение до синусоидалното е много сложен процес, изискващ определени измервания и анализ. Оптимизацията на конструкцията е важна за понижаване на смущаващите сигнали, особено на техните синфазни съставящи. За спектралния състав на смущенията от първостепенно значение е изборът на антипаралелни диоди. Токът им на възстановяване създава диференциални смущения, които стигат до ЕД с всички негативни последици от това. Водещи компании са разработили специални диоди с плавен характер на обратното възстановяване. Съответно, силовите модули IGBT, в състава на които се използват CAL-диоди, се характеризират с по-ниско ниво на шумове и електромагнитни излъчвания.
Стандартен е подходът за понижаване на шумовете с помощта на синусоидални филтри, включени преди и след ЧИ, но това води до увеличаване на габарита на цялото устройство и съществено нарастване на цената му. Този метод е с доказана ефективност - редица специалисти се обединяват около становището, че е добре да бъдат предприети превантивни мероприятия с цел изходното напрежение се доближи максимално до синусоида. Водещи компании в областта използват многостъпален ЧИ (фиг. 7).




ЕКСКЛУЗИВНО

Top