Как подобрать сетевой дроссель для частотного преобразователя

Сетевой дроссель устанавливается между питающей сетью и входом преобразователя частоты. Его задача — увеличить входное сопротивление цепи, уменьшить воздействие гармоник, ограничить броски тока и защитить силовую часть ПЧ от импульсных перенапряжений.

На практике вопрос обычно возникает уже после выбора преобразователя: какой сетевой дроссель для частотного преобразователя поставить и по каким характеристикам его выбирать?

Ориентироваться только на мощность двигателя или ПЧ недостаточно. Правильный подбор выполняется последовательно:

мощность ПЧ → номинальный входной ток → напряжение сети → требуемое падение напряжения → индуктивность дросселя.

Снежинский завод специальных электрических машин выпускает трехфазные сетевые дроссели серии ДТС для сетей 400 и 690 В с вариантами напряжения короткого замыкания 2% и 4%. Они предназначены для установки на входе преобразователей частоты различных производителей.

Зачем ставить сетевой дроссель перед ПЧ

Типичный преобразователь частоты содержит входной выпрямитель, звено постоянного тока и инвертор. Выпрямитель потребляет ток из сети не в виде идеальной синусоиды, а импульсами. В результате появляются высшие гармоники и возрастает нагрузка на питающую сеть и элементы самого преобразователя.

Входной сетевой дроссель добавляет в цепь индуктивное сопротивление.

За счет этого он помогает:

• уменьшить амплитуду импульсов входного тока;

• снизить влияние высших гармоник, создаваемых выпрямителем ПЧ;

• ограничить броски тока;

• защитить преобразователь от кратковременных всплесков напряжения;

• снизить нагрузку на выпрямительный мост;

• увеличить срок службы конденсаторов звена постоянного тока;

• повысить стабильность работы электропривода.

Именно такие задачи заявлены для трехфазных сетевых дросселей ДТС. Для серии предусмотрена длительная перегрузочная способность до 110% номинального тока.

Где устанавливается сетевой дроссель

Схема подключения выглядит просто:

питающая сеть → сетевой дроссель ДТС → преобразователь частоты → двигатель

Поэтому понятия сетевой, входной и линейный дроссель ПЧ обычно относятся к одному типу оборудования.

Не следует путать его с моторным дросселем. Моторный устанавливается уже после преобразователя:

ПЧ → моторный дроссель → электродвигатель.

У этих устройств разные условия работы и разные задачи.

С чего начинать подбор дросселя для преобразователя частоты

Самая частая ошибка — сначала искать требуемую индуктивность.

На практике начинать удобнее с самого преобразователя.

Для подбора потребуются:

• мощность ПЧ, кВт;

• номинальное входное напряжение;

• номинальный входной ток;

• частота питающей сети;

• наличие встроенного дросселя постоянного тока;

• требования к ограничению гармоник;

• особенности питающей сети.

Для стандартных ДТС СЗСЭМ номинальная частота составляет 50 Гц, а исполнения предусмотрены для напряжений 400 В ±10% и 690 В ±10%.

Далее можно переходить к выбору конкретной модели.

Шаг 1. Подбор по мощности ПЧ

Мощность преобразователя — первый и самый простой ориентир.

В каталоге ДТС производитель непосредственно указывает, для какой мощности преобразователя предназначена конкретная модель.

Например, для серии ДТС 4% на 400 В:

Мощность ПЧ	Дроссель	Индуктивность	Номинальный ток
1,5 кВт	ДТС-4,9/6 У2	4,9 мГн	6 А
2,2 кВт	ДТС-3,6/8 У2	3,6 мГн	8 А
3,7 кВт	ДТС-2,4/12 У2	2,4 мГн	12 А
5,5 кВт	ДТС-1,8/16 У2	1,8 мГн	16 А
7,5 кВт	ДТС-1,2/25 У2	1,2 мГн	25 А
11 кВт	ДТС-0,98/30 У2	0,98 мГн	30 А
15 кВт	ДТС-0,82/36 У2	0,82 мГн	36 А

Параметры приведены для трехфазных сетевых дросселей ДТС 4% на 400 В.

На этом этапе можно определить предполагаемую модель, но окончательно выбирать дроссель только по кВт не следует.

Следующий параметр значительно важнее.

Шаг 2. Проверяем номинальный ток ПЧ

Основной электрический критерий при подборе — ток.

Номинальный ток сетевого дросселя должен быть не ниже максимального длительного тока, который будет проходить через него в рабочем режиме.

Поэтому после предварительного выбора по мощности необходимо открыть техническую документацию конкретного частотного преобразователя и проверить его входной ток.

Например, для ПЧ мощностью 5,5 кВт по таблице ДТС 4% предлагается:

ДТС-1,8/16 У2

где:

• 1,8 мГн — индуктивность;

• 16 А — номинальный ток.

Если конкретный частотный преобразователь при выбранных условиях эксплуатации требует входной ток больше 16 А, выбирать дроссель только потому, что в таблице напротив него указано 5,5 кВт, нельзя.

Следует перейти на исполнение с подходящим током либо выполнить индивидуальный подбор.

Почему одинаковые по мощности ПЧ могут иметь разный ток

Преобразователи одной мощности могут отличаться по:

• производителю;

• схемотехнике входной части;

• напряжению питания;

• перегрузочной способности;

• режиму применения;

• наличию встроенного DC-дросселя;

• КПД и коэффициенту мощности.

Поэтому мощность — удобная отправная точка, а номинальный ток — параметр, который необходимо обязательно проверить.

Шаг 3. Определяем необходимую индуктивность

Когда известны напряжение, ток и требуемое относительное падение напряжения, можно оценить необходимую индуктивность.

Индуктивное сопротивление рассчитывается по формуле:

Xₗ = 2πfL

где:

• Xₗ — индуктивное сопротивление, Ом;

• f — частота сети, Гц;

• L — индуктивность, Гн.

Для трехфазной сети приблизительную требуемую индуктивность можно определить через заданное процентное падение напряжения:

L ≈ (u × U) / (100 × √3 × I × 2πf)

где:

• u — требуемое падение напряжения, %;

• U — линейное напряжение сети, В;

• I — номинальный ток, А;

• f — частота сети, Гц.

Эта формула подходит для предварительного инженерного расчета. При выборе серийного изделия следует ориентироваться на характеристики, указанные производителем.

Пример расчета сетевого дросселя

Возьмем:

• сеть — 400 В;

• частота — 50 Гц;

• ток — 16 А;

• требуемое падение напряжения — 4%.

Получаем:

L ≈ (4 × 400) / (100 × √3 × 16 × 2π × 50)

Результат составляет примерно:

1,84 мГн.

В линейке СЗСЭМ для такого режима представлен:

ДТС-1,8/16 У2

с параметрами:

• номинальный ток — 16 А;

• индуктивность — 1,8 мГн;

• мощность ПЧ — 5,5 кВт;

• напряжение — 400 В.

То есть расчетное значение хорошо совпадает с номиналом серийного устройства.

Почему с ростом мощности индуктивность уменьшается

Если посмотреть каталог, можно заметить:

• 6 А → 4,9 мГн;

• 8 А → 3,6 мГн;

• 16 А → 1,8 мГн;

• 25 А → 1,2 мГн;

• 36 А → 0,82 мГн.

На первый взгляд может показаться странным, что более мощному преобразователю требуется дроссель с меньшей индуктивностью.

Причина проста: одновременно растет рабочий ток.

Чтобы сохранить заданное относительное падение напряжения при увеличении тока, требуемое индуктивное сопротивление уменьшается. Поэтому большая мощность ПЧ вовсе не означает большую индуктивность дросселя.

Шаг 4. Учитываем падение напряжения

Это один из важнейших параметров при выборе.

На сетевом дросселе неизбежно появляется падение напряжения. В серии ДТС применяются исполнения с напряжением короткого замыкания 2% и 4% Uном при частоте 50 Гц.

Условно это означает:

• ДТС 2% создает меньшее дополнительное сопротивление сети;

• ДТС 4% создает большее индуктивное сопротивление.

Чем выше процент, тем сильнее дроссель влияет на ток, но одновременно тем больше напряжение, которое теряется на нем при номинальной нагрузке.

Отсюда возникает главный вопрос при подборе.

ДТС 2% или ДТС 4% — в чем разница

Оба варианта являются сетевыми дросселями и выполняют сходные функции, но степень их воздействия на питающую цепь различается.

Параметр	ДТС 2%	ДТС 4%
Индуктивное сопротивление	ниже	выше
Падение напряжения	около 2%	около 4%
Ограничение бросков тока	умеренное	более выраженное
Воздействие на гармонический ток	меньше	сильнее
Влияние на напряжение на входе ПЧ	меньше	больше
Индуктивность при одинаковом токе	ниже	примерно выше
Типичная задача	базовая защита ПЧ и сети	более выраженное ограничение токовых искажений и бросков

На практике выбор нельзя свести к принципу «4% всегда лучше».

У большего сопротивления есть как преимущества, так и обратная сторона — дополнительное падение входного напряжения.

Когда имеет смысл ДТС 2%

Дроссель 2% может быть оптимальным, когда требуется:

• защитить ПЧ от сетевых импульсов;

• уменьшить броски входного тока;

• немного увеличить сопротивление питающей линии;

• снизить воздействие ПЧ на сеть;

• при этом минимизировать дополнительное падение напряжения.

На странице входных сетевых дросселей СЗСЭМ отмечается, что падение порядка 2% является оптимальным для нормальной работы дросселя совместно с преобразователем частоты без функции регенерации энергии при торможении.

Например, для ДТС 2% на 400 В в каталоге представлены:

• ДТС-3,8/5 — для ПЧ 0,75–1,5 кВт;

• ДТС-2,5/7 — для 2,2 кВт;

• ДТС-1,5/10 — для 4 кВт;

• ДТС-1,0/15 — для 5,5 кВт.

Когда выбирать ДТС 4%

Исполнение 4% создает более высокое входное сопротивление.

Оно может быть предпочтительным, если требуется более выраженное:

• ограничение импульсов входного тока;

• уменьшение гармонических составляющих;

• снижение нагрузки на выпрямитель ПЧ;

• ограничение воздействия мощной питающей сети на вход преобразователя.

Особенно внимательно вопрос входной индуктивности рассматривают для ПЧ без собственного встроенного DC-дросселя. Производители сетевых реакторов также указывают, что увеличение процентного сопротивления дает более сильное подавление гармонических токов, однако сопровождается большим падением напряжения.

Поэтому решение о применении ДТС 4% принимают с учетом характеристик и самого ПЧ, и питающей сети.

Пример: ДТС 2% и 4% для ПЧ 5,5 кВт

Рассмотрим сеть 400 В.

Для ПЧ 5,5 кВт в линейке СЗСЭМ представлены разные варианты.

ДТС 2%

ДТС-1,0/15

• мощность ПЧ — 5,5 кВт;

• ток — 15 А;

• индуктивность — 1,0 мГн.

ДТС 4%

ДТС-1,8/16

• мощность ПЧ — 5,5 кВт;

• ток — 16 А;

• индуктивность — 1,8 мГн.

У исполнения 4% индуктивность выше, поэтому его влияние на входной ток оказывается более выраженным.

Но это не означает, что для любого ПЧ 5,5 кВт следует автоматически устанавливать именно ДТС-1,8/16.

Сначала необходимо проверить номинальный входной ток преобразователя и рекомендации его производителя.

А если мощность ПЧ находится между двумя значениями?

Например, технические параметры оборудования не полностью совпадают с табличными.

В этом случае приоритет следует отдавать не ближайшему значению мощности в кВт, а следующим характеристикам:

1. номинальному напряжению;

2. требуемому току;

3. допустимому падению напряжения;

4. необходимой индуктивности.

Дроссель не должен работать с длительным превышением своего номинального тока.

Если стандартная модель не подходит, СЗСЭМ предусматривает возможность изготовления сетевых дросселей с параметрами, отличающимися от приведенных в стандартных таблицах. Также могут отличаться варианты выводов — винтовые зажимы, кабельные клеммы или токовые шины.

Что означает маркировка ДТС

Обозначение сетевых дросселей СЗСЭМ содержит два основных электрических параметра.

Например:

ДТС-4,9/6 У2

где:

• ДТС — трехфазный сетевой дроссель;

• 4,9 — индуктивность, мГн;

• 6 — номинальный ток, А;

• У2 — климатическое исполнение и категория размещения.

Такой принцип маркировки позволяет быстро сравнивать оборудование по двум основным характеристикам — току и индуктивности.

Сетевой дроссель — это не EMC-фильтр

Иногда встречается запрос «дроссель сетевого фильтра», из-за чего два устройства воспринимаются как взаимозаменяемые.

Это не совсем так.

Сетевой дроссель хорошо работает с низкочастотными гармониками и ограничивает токовые броски, но не заменяет полноценный фильтр электромагнитных помех.

СЗСЭМ рекомендует при необходимости защиты сети от кондуктивных высокочастотных помех от ШИМ-инвертора совместно с сетевым дросселем применять трехфазные EMC/EMI-фильтры.

То есть схема может выглядеть так:

сеть → EMC/EMI-фильтр → сетевой дроссель → частотный преобразователь.

Конкретная последовательность подключения должна соответствовать документации применяемого оборудования.

Типичные ошибки при подборе сетевого дросселя

Выбор только по мощности двигателя

Дроссель подбирается прежде всего к преобразователю и его входной цепи.

Мощность двигателя может использоваться как ориентир, но она не определяет необходимый номинальный ток сетевого дросселя напрямую.

Игнорирование тока ПЧ

Два преобразователя одинаковой мощности могут иметь разные входные токи.

Ток дросселя необходимо обязательно сверять с документацией ПЧ.

Установка дросселя 4% вместо 2% без расчета

Большая индуктивность не означает автоматически более правильный выбор.

Следует учитывать дополнительное падение напряжения.

Подбор только по индуктивности

Дроссель с подходящей индуктивностью, но недостаточным номинальным током применять нельзя.

Путаница входного и выходного дросселя

Трехфазный сетевой дроссель работает на входе ПЧ.

Для выходной стороны используются моторные или dU/dt-дроссели, характеристики которых рассчитываются для других процессов.

Упрощенный алгоритм подбора ДТС

Для практической работы можно использовать следующую последовательность.

1. Определить мощность преобразователя

Например:

ПЧ 15 кВт.

2. Проверить напряжение

Например:

3 × 400 В, 50 Гц.

3. Найти входной номинальный ток

Он берется из технической документации конкретного ПЧ.

4. Определить требуемое Uk

Выбрать исполнение:

2% или 4%.

5. Найти подходящую строку в каталоге ДТС

Для ДТС 4% при мощности ПЧ 15 кВт в таблице СЗСЭМ указан:

ДТС-0,82/36 У2

с током 36 А и индуктивностью 0,82 мГн.

6. Сравнить токи

Номинальный ток выбранного ДТС должен соответствовать рабочему току установки.

7. Проверить условия эксплуатации

Необходимо учесть:

• температуру;

• климатическое исполнение;

• место установки;

• способ подключения;

• требования к степени защиты;

• режим нагрузки.

После этого можно окончательно выбирать модель.

Какие данные нужны для точного подбора сетевого дросселя

Если требуется подобрать сетевой дроссель для частотного преобразователя специалистами производителя, желательно подготовить:

• производителя и модель ПЧ;

• номинальную мощность ПЧ;

• напряжение сети;

• частоту сети;

• номинальный входной ток;

• максимальный рабочий ток;

• наличие встроенного DC-дросселя;

• требуемое падение напряжения 2% или 4%;

• условия эксплуатации;

• способ подключения.

Если модель ПЧ известна, эти данные позволяют значительно точнее подобрать дроссель, чем выбор только по значению мощности в кВт.

Итог: как правильно выбрать дроссель для ПЧ

Подбор сетевого дросселя лучше выполнять не по одному параметру, а последовательно.

Первый шаг — мощность ПЧ. Она позволяет найти подходящую группу оборудования в каталоге.

Второй — номинальный ток. Именно его необходимо обязательно проверить перед выбором конкретного ДТС.

Третий — индуктивность. Она определяет реактивное сопротивление дросселя и связана с током, напряжением, частотой и требуемым процентным падением напряжения.

Четвертый — выбор между ДТС 2% и ДТС 4%. Исполнение 2% дает меньшее падение напряжения и подходит для базовой защиты и повышения входного сопротивления. Исполнение 4% оказывает более выраженное воздействие на ток и гармонические составляющие, но создает большее падение напряжения.

Поэтому универсального ответа «ставить 2% или 4%» нет. Оптимальный входной сетевой дроссель выбирается под характеристики конкретного частотного преобразователя и питающей сети.

СЗСЭМ выпускает трехфазные сетевые дроссели серии ДТС для преобразователей частоты различных производителей, в исполнениях на 400 и 690 В, а при необходимости возможно изготовление оборудования с параметрами под требования конкретного проекта.