Какие дроссели нужны для частотного преобразователя: сетевой, моторный и dU/dt

Преобразователь частоты позволяет плавно управлять скоростью и моментом электродвигателя, но сам ПЧ одновременно влияет и на питающую сеть, и на двигатель. На входе преобразователя возникают импульсные токи и гармонические составляющие, а на выходе формируется ШИМ-напряжение с быстрыми фронтами.

Поэтому в промышленном электроприводе рядом с ПЧ часто применяются дополнительные дроссели.

Но здесь возникает вопрос: какой дроссель нужен для частотного преобразователя — сетевой, моторный или dU/dt? Нужно ли устанавливать сразу несколько устройств?

Упрощенная схема выглядит так:

Сеть → сетевой дроссель ДТС → ПЧ → моторный ДТМ / dU/dt ДТМdU → электродвигатель

То есть один тип дросселя работает до преобразователя, а другой — после него.

Снежинский завод специальных электрических машин выпускает для этих задач три отдельные серии:

сетевые дроссели ДТС;
моторные дроссели ДТМ;
ограничивающие dU/dt-дроссели ДТМdU.

У каждого типа свое назначение, поэтому выбирать устройство необходимо исходя не только из мощности преобразователя, но и из того, какую проблему требуется решить.

Почему преобразователю вообще нужны дроссели

Типовая структура частотно-регулируемого привода выглядит следующим образом:

сеть переменного тока → выпрямитель → звено постоянного тока → инвертор → электродвигатель

Каждый участок этой схемы имеет свои особенности.

На входе ПЧ выпрямитель потребляет ток не идеально синусоидальной формы. Возникают гармонические составляющие, а входная часть преобразователя оказывается чувствительной к сетевым импульсам и броскам напряжения.

На выходе ситуация другая. Инвертор формирует напряжение методом широтно-импульсной модуляции. Высокая скорость переключения силовых транзисторов приводит к появлению крутых фронтов напряжения.

Чем длиннее кабель между ПЧ и двигателем, тем сильнее могут проявляться:

перенапряжения на клеммах двигателя;
нагрузка на изоляцию обмоток;
электромагнитные помехи;
дополнительный нагрев;
акустический шум.

Поэтому запросы вроде «частотный преобразователь дроссель» или «дроссели преобразователь частоты» на самом деле объединяют сразу несколько разных устройств.

Разберем их отдельно.

1. Сетевой дроссель ДТС — устанавливается до ПЧ

Схема:

Сеть → ДТС → преобразователь частоты → двигатель

Сетевой дроссель работает непосредственно между питающей сетью и входом частотного преобразователя.

СЗСЭМ выпускает для этих задач трехфазные сетевые дроссели серии ДТС.

Их основное назначение:

снижение воздействия высших гармоник, создаваемых входным выпрямителем ПЧ;
ограничение бросков входного тока;
защита преобразователя от импульсных всплесков напряжения в питающей сети;
снижение нагрузки на входной выпрямитель;
увеличение ресурса конденсаторов звена постоянного тока.

СЗСЭМ выпускает ДТС для сетей 400 и 690 В, в том числе в исполнениях с напряжением короткого замыкания 2 и 4%.

Что происходит без сетевого дросселя

На входе большинства стандартных преобразователей используется диодный выпрямитель.

Конденсаторы звена постоянного тока заряжаются не непрерывно, а преимущественно в определенные участки периода сетевого напряжения. Поэтому входной ток ПЧ имеет импульсную форму.

Если питающая сеть мощная и обладает малым внутренним сопротивлением, амплитуда таких импульсов может быть значительной.

Дополнительная индуктивность перед преобразователем увеличивает сопротивление цепи и сглаживает входной ток.

Именно поэтому ДТС можно рассматривать как своего рода буфер между сетью и преобразователем.

Когда сетевой ДТС особенно полезен

Установка сетевого дросселя целесообразна, когда:

мощность источника питания значительно превышает мощность ПЧ;
преобразователь подключен непосредственно к мощному трансформатору;
в сети присутствуют импульсные перенапряжения;
рядом работают контакторы, сварочное оборудование и другие источники помех;
на одной шине установлено много преобразователей;
требуется уменьшить влияние ПЧ на питающую сеть;
у преобразователя отсутствует встроенный DC-дроссель.

При этом наличие сетевого дросселя не означает полного устранения всех гармоник. Если необходимо обеспечить конкретное низкое значение THDi, может потребоваться специализированный фильтр гармоник.

ДТС 2% или 4%

Сетевые дроссели СЗСЭМ представлены в двух основных вариантах:

ДТС 2%
и
ДТС 4%.

Цифра характеризует относительное напряжение короткого замыкания и фактически связана с величиной индуктивного сопротивления.

При одинаковых условиях:

вариант 2% оказывает меньшее воздействие на напряжение;
вариант 4% имеет большую индуктивность и сильнее ограничивает импульсные токи.

Например, для ПЧ порядка 5,5 кВт на 400 В в линейке СЗСЭМ представлены разные варианты ДТС, отличающиеся током и индуктивностью. Поэтому окончательный выбор делается не только по мощности ПЧ, но прежде всего по его входному току и требуемой величине входной индуктивности.

2. Моторный дроссель ДТМ — устанавливается после ПЧ

Теперь перенесемся на другую сторону преобразователя.

Схема:

Сеть → ДТС → ПЧ → ДТМ → электродвигатель

Моторный дроссель работает уже не с током питающей сети, а с выходным ШИМ-сигналом преобразователя.

СЗСЭМ выпускает для этой задачи трехфазные моторные дроссели серии ДТМ.

Они предназначены для:

ограничения крутизны нарастания напряжения;
уменьшения перенапряжений на клеммах двигателя;
снижения воздействия ШИМ на изоляцию;
уменьшения электромагнитных помех;
снижения нагрева двигателя;
уменьшения акустического шума;
увеличения допустимого расстояния между ПЧ и электродвигателем.

Согласно техническим данным СЗСЭМ, ДТМ имеют более высокую индуктивность, чем ограничивающие dU/dt-дроссели ДТМdU, и рассчитаны на работу с кабельными линиями до двигателя длиной до 200 м. Для серии предусмотрены исполнения на 400 и 690 В, частота ШИМ 3–16 кГц и длительная нагрузка до 110% номинального тока.

Почему длинный кабель между ПЧ и двигателем создает проблему

Выходное напряжение преобразователя состоит из последовательности импульсов.

Если двигатель находится рядом с ПЧ, влияние моторного кабеля относительно невелико.

При увеличении длины линии кабель начинает заметнее влиять на форму импульсов. Из-за волновых процессов на клеммах электродвигателя могут возникать напряжения выше непосредственного выходного напряжения инвертора.

В результате повышается нагрузка на межвитковую изоляцию обмоток.

Именно здесь становится актуальным выходной фильтр или выходной дроссель.

Что делает ДТМ

Индуктивность моторного дросселя препятствует слишком быстрому изменению тока и уменьшает влияние высокочастотной составляющей ШИМ.

В результате:

ПЧ → резкие импульсы → ДТМ → более мягкое воздействие на двигатель

При этом моторный дроссель не превращает выходное напряжение ПЧ в полноценную синусоиду.

Для глубокой фильтрации используется уже другой класс устройств — синус-фильтры.

3. dU/dt-дроссель ДТМdU — для ограничения крутых фронтов напряжения

Схема подключения аналогична моторному дросселю:

Сеть → ДТС → ПЧ → ДТМdU → электродвигатель

Серия ДТМdU предназначена прежде всего для ограничения величины:

dU/dt

то есть скорости изменения напряжения во времени.

Упрощенно:

dU/dt = изменение напряжения / время изменения

Чем быстрее напряжение изменяется от одного уровня к другому, тем выше dU/dt и тем сильнее нагрузка на изоляцию обмоток электродвигателя.

Дроссели ДТМdU устанавливаются на выходе преобразователя и предназначены для снижения крутизны фронтов, уменьшения перенапряжений, электромагнитных помех, нагрева и шума двигателя. Для стандартной серии СЗСЭМ указана максимальная длина кабеля до двигателя до 100 м, рабочая частота ШИМ 3–16 кГц и Uk порядка 0,7–1,2%.

В чем разница между ДТМ и ДТМdU

На первый взгляд устройства очень похожи:

оба устанавливаются после ПЧ;
оба трехфазные;
оба ограничивают dU/dt;
оба уменьшают перенапряжения;
оба защищают электродвигатель.

Главное различие заключается в величине индуктивности и степени воздействия на выходной сигнал.

Параметр	ДТМ	ДТМdU
Место установки	После ПЧ	После ПЧ
Основная задача	Защита двигателя и работа с более длинным кабелем	Ограничение dU/dt и перенапряжений
Индуктивность	Выше	Ниже
Типовое Uk	около 2%	около 0,7–1,2%
Частота ШИМ	3–16 кГц	3–16 кГц
Кабель до двигателя	до 200 м	до 100 м
Влияние на выход ПЧ	Более выраженное	Более мягкое

СЗСЭМ прямо указывает, что ДТМ имеют более высокую индуктивность по сравнению с ДТМdU и благодаря этому могут эффективно работать при большей длине кабеля.

Это помогает сформулировать простой принцип выбора.

Нужно прежде всего ограничить крутые фронты и кабель сравнительно короткий — рассматриваем ДТМdU.

Нужна более выраженная выходная индуктивность или кабель длиннее — рассматриваем ДТМ.

Но окончательный выбор должен выполняться по параметрам конкретного ПЧ и двигателя.

Нужно ли ставить одновременно ДТМ и ДТМdU

В стандартной схеме — обычно нет.

Запись:

ПЧ → моторный/dU/dt → двигатель

означает выбор одного из подходящих вариантов, а не обязательную последовательность:

ПЧ → ДТМ → ДТМdU → двигатель.

Оба устройства выполняют частично пересекающиеся функции.

Поэтому при обычном проектировании выбирают:

либо ДТМ, либо ДТМdU

в зависимости от:

длины кабеля;
требований производителя ПЧ;
типа двигателя;
допустимого dU/dt;
мощности привода;
выходного тока;
частоты ШИМ.

Самовольная установка нескольких последовательно соединенных выходных дросселей может привести к чрезмерной суммарной индуктивности и дополнительному падению напряжения.

Полная схема подключения

Таким образом, базовую структуру защищенного частотно-регулируемого привода можно представить следующим образом:

ТРЕХФАЗНАЯ СЕТЬ

↓

СЕТЕВОЙ ДРОССЕЛЬ ДТС

защищает вход ПЧ и уменьшает его воздействие на сеть

↓

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

выпрямляет входное напряжение и формирует регулируемый ШИМ-сигнал

↓

МОТОРНЫЙ ДРОССЕЛЬ ДТМ

или

dU/dt-ДРОССЕЛЬ ДТМdU

уменьшает негативное воздействие ШИМ на двигатель

↓

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

В одной строке:

сеть → сетевой ДТС → ПЧ → моторный ДТМ / dU/dt ДТМdU → электродвигатель

Это и есть основное различие между входными и выходными дросселями.

Входной и выходной дроссель: коротко о разнице

Запрос «входной выходной дроссель» часто возникает именно из-за путаницы в месте установки.

Запомнить различие можно очень просто.

Входной дроссель

Стоит ДО ПЧ.

Это:

ДТС

Он в первую очередь работает с:

питающей сетью;
входным током ПЧ;
гармоническими составляющими;
сетевыми импульсами.

Выходной дроссель

Стоит ПОСЛЕ ПЧ.

Это:

ДТМ или ДТМdU

Он в первую очередь работает с:

ШИМ-напряжением;
двигателем;
кабельной линией;
dU/dt;
перенапряжениями на клеммах.

Таким образом, входной и выходной дроссели не являются взаимозаменяемыми.

Можно ли поставить сетевой ДТС после ПЧ

Нет, выбирать устройство только потому, что его ток соответствует току двигателя, неправильно.

Сетевой дроссель рассчитан на работу с питающей сетью промышленной частоты и входными процессами преобразователя.

На выходе ПЧ присутствует ШИМ-напряжение с высокочастотными составляющими.

Для этой зоны специально предназначены ДТМ и ДТМdU, рассчитанные с учетом частоты коммутации преобразователя.

У серий ДТМ и ДТМdU СЗСЭМ прямо указан рабочий диапазон частоты ШИМ 3–16 кГц.

Поэтому схема:

ПЧ → ДТС → двигатель

не является корректной заменой:

ПЧ → ДТМ/ДТМdU → двигатель.

А можно ли установить моторный ДТМ на входе ПЧ

По той же причине не следует использовать моторный дроссель в качестве обычной замены ДТС.

Хотя электрически оба устройства являются трехфазными индуктивностями, их параметры рассчитаны под разные участки преобразовательной системы.

Правильнее применять оборудование по назначению:

вход ПЧ — ДТС;

выход ПЧ — ДТМ или ДТМdU.

Как подобрать сетевой ДТС

Для предварительного выбора понадобятся:

Мощность ПЧ.
Напряжение сети.
Номинальный входной ток преобразователя.
Требуемая величина входной индуктивности.
Необходимое Uk — например 2 или 4%.
Частота сети.
Условия эксплуатации.

Мощность ПЧ используется как удобный первый ориентир, но окончательно модель необходимо проверять по номинальному току.

Например, на сайте СЗСЭМ в таблицах ДТС для каждого изделия одновременно указаны:

мощность ПЧ → индуктивность → номинальный ток.

Как подобрать моторный ДТМ

Здесь необходимо знать уже характеристики выходной стороны:

мощность преобразователя;
выходной ток ПЧ;
номинальный ток двигателя;
напряжение;
частоту ШИМ;
длину кабеля;
максимальную рабочую частоту двигателя;
требования производителя преобразователя.

Для серии ДТМ СЗСЭМ выпускает варианты на 400 и 690 В, а в таблицах модели также связаны с ориентировочной мощностью ПЧ, током и индуктивностью.

Например, обозначение:

ДТМ-2/8 У2

указывает на:

индуктивность — 2 мГн;
номинальный ток — 8 А.

В таблице СЗСЭМ этот вариант соответствует ПЧ мощностью около 2,2 кВт на 400 В.

Но при реальном выборе главным ограничением должен оставаться ток.

Как подобрать ДТМdU

Для dU/dt-дросселя потребуются примерно те же исходные данные:

выходное напряжение;
номинальный ток;
мощность ПЧ;
частота ШИМ;
длина моторного кабеля;
характеристики электродвигателя.

Например:

ДТМdU-0,7/13 У2

имеет:

индуктивность 0,7 мГн;
номинальный ток 13 А;

и в типовой таблице СЗСЭМ соответствует ПЧ порядка 5,5 кВт.

Опять же значение мощности используется как ориентир, после чего необходимо проверить фактический ток.

Что выбрать в разных ситуациях

Рассмотрим несколько типичных случаев.

Ситуация 1. ПЧ стоит рядом с двигателем

Например:

ПЧ — 15 кВт;
двигатель — 15 кВт;
кабель — 5 м;
производитель ПЧ допускает такое подключение без выходного фильтра.

В таком случае может оказаться, что выходной дроссель вообще не требуется.

При этом сетевой ДТС всё равно может быть полезен с точки зрения входной стороны.

Ситуация 2. Двигатель находится в 70 м от преобразователя

При такой длине уже следует проверить рекомендации производителя ПЧ относительно выходного dU/dt.

Одним из вариантов может стать:

ПЧ → ДТМdU → двигатель.

Стандартная серия ДТМdU рассчитана на кабельные линии до 100 м.

Ситуация 3. Двигатель находится в 150 м от ПЧ

Здесь более логичным кандидатом становится моторный ДТМ:

ПЧ → ДТМ → двигатель.

Стандартная серия рассчитана на работу с линиями до 200 м.

Ситуация 4. Между ПЧ и двигателем несколько сотен метров

Если длина существенно превышает возможности обычного моторного дросселя, уже следует рассматривать полноценный синус-фильтр.

СЗСЭМ выпускает фильтры серии ФС, в том числе исполнения для протяженных моторных кабелей. В отличие от обычного выходного дросселя, синус-фильтр представляет собой LC-систему и обеспечивает гораздо более глубокое сглаживание ШИМ-напряжения.

Моторный дроссель или синус-фильтр

Здесь также важно не путать оборудование.

Условно выходную защиту можно расположить по степени воздействия так:

dU/dt-дроссель → моторный дроссель → синус-фильтр

ДТМdU

Основной акцент:

ограничение скорости нарастания напряжения.

ДТМ

Более высокая выходная индуктивность и возможность работы с более длинными кабельными линиями.

ФС

Полноценный выходной фильтр для значительного сглаживания ШИМ-напряжения.

Поэтому запрос «преобразователь фильтр частотный» может относиться сразу к разным решениям. Перед выбором необходимо определить, что именно требуется уменьшить: входные гармоники, выходной dU/dt или саму высокочастотную составляющую ШИМ.

Нужен ли сетевой и выходной дроссель одновременно

Да, такая схема вполне возможна:

сеть → ДТС → ПЧ → ДТМ → двигатель

или:

сеть → ДТС → ПЧ → ДТМdU → двигатель.

Здесь устройства не дублируют друг друга, потому что расположены на разных сторонах ПЧ и решают разные задачи.

ДТС:

защищает преобразователь и питающую сеть.

ДТМ/ДТМdU:

защищает двигатель и моторный кабель от воздействия выходного ШИМ.

Поэтому один дроссель не заменяет другой.

Нужны ли дроссели каждому частотному преобразователю

Нет универсального правила, согласно которому каждый ПЧ обязательно должен комплектоваться одновременно входным и выходным дросселем.

Решение зависит от конкретного проекта.

На необходимость ДТС влияют:

мощность питающей сети;
конструкция ПЧ;
наличие встроенного DC-дросселя;
допустимый уровень гармоник;
качество электроснабжения.

На необходимость ДТМ или ДТМdU влияют:

длина моторного кабеля;
напряжение двигателя;
качество его изоляции;
частота ШИМ;
рекомендации производителя ПЧ;
особенности технологического режима.

Поэтому правильный подход выглядит так:

не «какой дроссель поставить на любой ПЧ?», а «какая проблема существует в конкретной системе и какой дроссель ее решает?»

Основные ошибки при выборе дросселей для ПЧ

Ошибка 1. Искать просто «дроссель преобразователь»

Такой запрос слишком общий.

Сначала необходимо определить сторону установки:

до ПЧ или после ПЧ.

Ошибка 2. Выбирать устройство только по мощности двигателя

Мощность в киловаттах — удобный ориентир, но необходимо обязательно учитывать номинальный ток.

Ошибка 3. Ставить сетевой ДТС на выход преобразователя

ДТС и ДТМ рассчитаны на разные режимы работы.

Ошибка 4. Считать ДТМ и ДТМdU одинаковыми устройствами

Назначение действительно пересекается, но индуктивность и допустимая длина кабеля различаются.

Ошибка 5. Ставить ДТМ и ДТМdU последовательно без расчета

Обычно выбирается одно из этих устройств.

Ошибка 6. Не учитывать частоту ШИМ

Для выходных дросселей этот параметр важен. Стандартные ДТМ и ДТМdU СЗСЭМ рассчитаны на диапазон 3–16 кГц.

Ошибка 7. Игнорировать длину кабеля

Именно она часто определяет, потребуется ли обычный dU/dt-дроссель, моторный дроссель или уже полноценный синус-фильтр.

Таблица: какой дроссель для чего нужен

Устройство	Серия СЗСЭМ	Место установки	Главная задача
Сетевой дроссель	ДТС	До ПЧ	Защита входа ПЧ, снижение влияния гармоник и бросков тока
Моторный дроссель	ДТМ	После ПЧ	Защита двигателя, уменьшение dU/dt и перенапряжений, длинный моторный кабель
dU/dt-дроссель	ДТМdU	После ПЧ	Ограничение крутизны импульсов и перенапряжений
Синус-фильтр	ФС	После ПЧ	Глубокое сглаживание ШИМ-напряжения

Если свести все к одной схеме:

СЕТЬ

↓

ДТС — входная защита

↓

ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

↓

ДТМ или ДТМdU — выходная защита

↓

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Какие данные нужны для подбора

Чтобы правильно подобрать дроссели для преобразователя частоты, желательно подготовить:

Производителя и точную модель ПЧ.
Мощность преобразователя.
Напряжение питающей сети.
Номинальный входной ток ПЧ.
Номинальный выходной ток.
Мощность двигателя.
Номинальный ток двигателя.
Частоту ШИМ преобразователя.
Номинальную и максимальную частоту двигателя.
Длину кабеля от ПЧ до двигателя.
Тип кабеля.
Наличие встроенного входного или DC-дросселя.
Условия эксплуатации.

После этого можно отдельно решить две задачи:

что поставить на входе ПЧ

что поставить на выходе ПЧ.

СЗСЭМ выпускает линейку сетевых, моторных и dU/dt-дросселей, а также указывает возможность изготовления изделий с параметрами, отличающимися от стандартных табличных исполнений.

Итог

Для частотного преобразователя могут применяться несколько типов дросселей, и каждый занимает свое место в системе.

Сетевой ДТС устанавливается перед ПЧ. Он уменьшает воздействие преобразователя на питающую сеть, ограничивает входные токовые импульсы и защищает входную часть ПЧ от сетевых переходных процессов.

Моторный ДТМ устанавливается после ПЧ. Он снижает воздействие импульсного выходного напряжения на двигатель и позволяет работать с более протяженной кабельной линией.

ДТМdU также устанавливается после ПЧ, но основной его задачей является ограничение скорости нарастания напряжения dU/dt и пиковых перенапряжений.

Базовая схема выглядит так:

сеть → сетевой ДТС → ПЧ → моторный ДТМ / dU/dt ДТМdU → электродвигатель.

При этом устанавливать все три дросселя одновременно обычно не требуется. На входе при необходимости используется ДТС, а на выходе выбирается ДТМ или ДТМdU с учетом длины кабеля, параметров двигателя, номинального тока и частоты ШИМ.

Если же требуется более глубокая фильтрация выходного ШИМ-напряжения или кабельная линия значительно длиннее возможностей обычного моторного дросселя, вместо него рассматривается полноценный выходной фильтр — синус-фильтр серии ФС.

Таким образом, правильный выбор начинается не с запроса «какой дроссель нужен преобразователю», а с определения места установки и задачи:

защитить сеть и вход ПЧ → ДТС;

защитить двигатель и работать с более длинным кабелем → ДТМ;

ограничить dU/dt и импульсные перенапряжения → ДТМdU.