Сетевой дроссель для частотного преобразователя: зачем нужен и как правильно подобрать

Преобразователь частоты позволяет плавно регулировать скорость электродвигателя, уменьшать пусковые токи и управлять технологическим оборудованием. Но подключение ПЧ напрямую к питающей сети имеет свои особенности: входной выпрямитель потребляет ток импульсами, создает гармонические составляющие и одновременно сам остается чувствительным к скачкам и переходным процессам в сети.

Для улучшения условий работы электропривода перед ПЧ устанавливают сетевой дроссель для частотного преобразователя.

Его можно представить как дополнительное индуктивное сопротивление между сетью и преобразователем:

трехфазная сеть → сетевой дроссель → преобразователь частоты → электродвигатель

Снежинский завод специальных электрических машин выпускает для этой задачи трехфазные сетевые дроссели ДТС, рассчитанные на применение с преобразователями частоты различных производителей. (snzmomentum.ru)

Разберемся, что дает установка дросселя, когда он особенно необходим и как выбрать подходящую модель.

Как работает преобразователь частоты

Чтобы понять назначение сетевого дросселя, полезно рассмотреть упрощенную структуру обычного ПЧ.

В большинстве промышленных преобразователей она выглядит так:

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

Сначала трехфазное напряжение сети поступает на диодный выпрямитель.

После него находятся конденсаторы звена постоянного тока. Они накапливают энергию, а затем инвертор формирует из постоянного напряжения регулируемое трехфазное напряжение для двигателя.

Особенность заключается в том, что конденсаторы заряжаются не равномерно в течение всего периода сетевого напряжения. Значительная часть тока потребляется короткими импульсами вблизи максимумов синусоиды.

В результате входной ток ПЧ оказывается несинусоидальным.

Danfoss отмечает, что именно токи зарядки конденсаторов DC-link являются одной из основных причин появления сетевых гармоник у стандартных преобразователей частоты. (danfoss.com)

Что происходит при подключении ПЧ без сетевого дросселя

Если между сетью и преобразователем практически нет дополнительной индуктивности, зарядные импульсы могут иметь большую амплитуду.

Это приводит сразу к нескольким эффектам:

• увеличивается пиковый входной ток;

• возрастает содержание высших гармоник;

• сильнее нагружается входной выпрямитель;

• увеличивается нагрузка на конденсаторы звена постоянного тока;

• преобразователь становится чувствительнее к импульсным перенапряжениям сети.

По данным Danfoss, у типового шестипульсного ПЧ без достаточной входной или DC-индуктивности THDi может быть порядка 80% и выше, тогда как применение дросселя способно существенно уменьшить гармонические искажения. Точные значения зависят от конструкции ПЧ и параметров питающей сети. (danfoss.com)

ABB также отмечает, что для обычных шестипульсных приводов добавление сетевой или DC-индуктивности является одним из базовых способов уменьшения гармонических токов. (abb.com)

Что делает сетевой дроссель

Сетевой дроссель представляет собой трехфазную катушку индуктивности, которая включается последовательно с питающей цепью ПЧ.

Схема:

СЕТЬ

↓

СЕТЕВОЙ ДРОССЕЛЬ

↓

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

↓

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Индуктивность препятствует быстрому изменению тока.

Благодаря этому сетевой дроссель:

• ограничивает амплитуду входных токовых импульсов;

• сглаживает форму потребляемого тока;

• уменьшает некоторые гармонические составляющие;

• ограничивает броски тока;

• смягчает воздействие сетевых переходных процессов на ПЧ;

• уменьшает нагрузку на выпрямительный мост;

• создает более благоприятный режим зарядки конденсаторов звена постоянного тока.

СЗСЭМ указывает для серии ДТС три основные задачи: снижение распространения высших гармоник от преобразователя в сеть, защита ПЧ от импульсных всплесков сетевого напряжения и увеличение срока службы конденсаторов DC-link. (snzmomentum.ru)

Когда сетевой дроссель особенно рекомендуется

Не каждый частотный преобразователь обязательно требует отдельного внешнего дросселя. Некоторые модели уже оснащены встроенной входной или DC-индуктивностью.

Однако есть условия, при которых внешний сетевой дроссель особенно полезен.

ПЧ подключен к мощному трансформатору

Чем мощнее питающий трансформатор относительно преобразователя, тем меньше внутреннее сопротивление источника питания.

Это означает, что вход ПЧ может получать очень высокие импульсные токи.

СЗСЭМ отдельно указывает подключение от сравнительно мощного трансформатора как одну из ситуаций, когда целесообразно устанавливать сетевой дроссель. (snzmomentum.ru)

От одной шины питается несколько преобразователей

Когда рядом установлено несколько ПЧ, их входные выпрямители воздействуют на одну и ту же электрическую сеть.

Суммарный гармонический ток возрастает, поэтому дополнительная входная индуктивность может быть особенно полезна.

В сети присутствуют скачки напряжения

Коммутация мощных нагрузок, трансформаторов, контакторов и другого оборудования способна создавать переходные процессы.

Дроссель ограничивает скорость изменения тока и помогает уменьшить воздействие таких событий на выпрямительную часть преобразователя.

Danfoss рекомендует рассматривать сетевые реакторы, в частности, в установках с переключаемыми конденсаторными батареями, возможными выбросами напряжения и другими неблагоприятными сетевыми условиями. (danfoss.com)

В сети работает УКРМ

Переключение ступеней конденсаторной установки способно создавать переходные процессы.

Наличие дополнительного реактивного сопротивления перед преобразователем уменьшает их воздействие на его вход.

Требуется уменьшить гармоники

Если жесткого требования получить THDi менее 5–10% нет, обычный сетевой дроссель может оказаться наиболее простым и экономичным способом улучшить форму входного тока.

Если же необходимо глубокое подавление гармоник, потребуется уже специализированный пассивный или активный фильтр.

Как сетевой дроссель влияет на гармоники

Для трехфазного шестипульсного выпрямителя характерны прежде всего гармоники:

• 5-я — 250 Гц;

• 7-я — 350 Гц;

• 11-я — 550 Гц;

• 13-я — 650 Гц.

Индуктивное сопротивление определяется формулой:

XL = 2πfL

где:

• XL — индуктивное сопротивление;

• f — частота;

• L — индуктивность.

Получается, что сопротивление одного и того же дросселя для гармоники 250 Гц значительно выше, чем для основной составляющей 50 Гц.

Одновременно дроссель растягивает по времени зарядный импульс конденсаторов ПЧ и уменьшает его максимальную амплитуду.

Поэтому входной ток приобретает менее импульсную форму.

Danfoss приводит ориентировочный пример: дроссель с Uk около 4% способен уменьшить THDi стандартного шестипульсного выпрямителя примерно с 80 до 40%. При необходимости дальнейшего снижения гармоник уже применяют специально рассчитанные фильтры. (danfoss.com)

ABB приводит сходную общую картину: типичный шестипульсный ПЧ с реакторами может иметь входные искажения порядка 25–35%, однако фактический результат сильно зависит от импеданса сети, конструкции ПЧ и нагрузки. (abb.com)

Поэтому определенное значение THDi нельзя гарантировать только фактом установки дросселя.

Дроссель 2% или 4% — что выбрать

Один из основных параметров сетевого дросселя — относительное падение напряжения, или напряжение короткого замыкания Uk.

СЗСЭМ выпускает ДТС в двух основных вариантах:

ДТС 2%

и

ДТС 4%.

Дроссель 2%

Такой вариант имеет меньшее индуктивное сопротивление.

Его преимущества:

• меньшее дополнительное падение напряжения;

• более компактная индуктивность при одинаковом токе;

• защита ПЧ от сетевых переходных процессов;

• ограничение токовых бросков;

• умеренное снижение гармонических составляющих.

СЗСЭМ отмечает, что падение порядка 2% является подходящим вариантом для нормальной работы сетевого дросселя с ПЧ без функции регенерации энергии при торможении. (snzmomentum.ru)

Дроссель 4%

При одинаковом токе он имеет большую индуктивность.

Это обеспечивает более выраженное:

• ограничение зарядного тока;

• воздействие на форму входного тока;

• снижение гармонических составляющих;

• увеличение входного импеданса ПЧ.

Но одновременно увеличивается падение напряжения.

Danfoss указывает, что дроссели порядка 4% хорошо зарекомендовали себя в качестве средства уменьшения гармоник у стандартных преобразователей частоты. (danfoss.com)

Следовательно:

2% — меньшее воздействие на питающее напряжение;

4% — более выраженное влияние на ток и гармоники.

Но утверждать, что 4% всегда лучше, неправильно.

Выбор зависит от характеристик сети и конкретного преобразователя.

Как подобрать сетевой дроссель для частотного преобразователя

Подбор удобно выполнять в несколько этапов.

Шаг 1. Определить напряжение ПЧ

Необходимо знать входное напряжение преобразователя:

• 380/400 В;

• 500 В;

• 690 В;

• другое.

Дроссель должен соответствовать классу напряжения оборудования.

СЗСЭМ выпускает стандартные ДТС, в частности, для систем 400 и 690 В. (snzmomentum.ru)

Шаг 2. Определить мощность преобразователя

Например:

ПЧ — 55 кВт.

Это позволяет быстро найти нужный диапазон изделий в каталоге.

Но выбирать окончательную модель только по мощности не следует.

Основной параметр — ток.

Шаг 3. Проверить номинальный входной ток ПЧ

Из технической документации преобразователя нужно взять:

номинальный входной ток.

Именно этот ток длительно проходит через сетевой дроссель.

Дроссель должен быть рассчитан как минимум на соответствующую величину тока с учетом требуемого режима эксплуатации.

Два ПЧ мощностью 55 кВт разных производителей могут иметь несколько различающиеся входные токи.

Поэтому правило:

«55 кВт = один универсальный дроссель»

не всегда работает.

Шаг 4. Выбрать 2% или 4%

Если требуется преимущественно базовая защита входа и минимальное дополнительное падение напряжения, рассматривают 2%.

Если необходимо более выраженное ограничение импульсного тока и гармоник, рассматривают 4%.

Также необходимо учитывать рекомендации производителя конкретного ПЧ.

Например, Schneider Electric для некоторых приводов прямо устанавливает минимальные требования к входному реактору. Для ATV312 на 575/600 В производитель указывает необходимость реактора не менее 3%. (se.com)

Это хороший пример того, почему документацию ПЧ необходимо проверять до выбора дросселя.

Как рассчитать требуемую индуктивность

Для предварительного расчета трехфазного сетевого дросселя можно использовать:

L ≈ (u × U) / (100 × √3 × I × 2πf)

где:

• L — индуктивность, Гн;

• u — требуемое относительное падение напряжения, %;

• U — линейное напряжение, В;

• I — номинальный ток, А;

• f — частота сети, Гц.

Пример расчета

Пусть:

• U = 400 В;

• I = 16 А;

• f = 50 Гц;

• Uk = 4%.

Подставляем:

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

Получаем приблизительно:

L ≈ 1,84 мГн.

В линейке СЗСЭМ есть близкое серийное исполнение:

ДТС-1,8/16 У2

то есть:

• индуктивность — около 1,8 мГн;

• номинальный ток — 16 А.

Это показывает, как связаны напряжение, ток, процентное сопротивление и индуктивность.

Почему у мощных ПЧ индуктивность меньше

В каталоге можно увидеть интересную закономерность.

По мере роста мощности и тока преобразователя значение L уменьшается.

Например, для мощных ДТС 4% на 400 В СЗСЭМ выпускает:

ДТС-0,059/500 У2

с характеристиками:

• мощность ПЧ — 280 кВт;

• ток — 500 А;

• индуктивность — 0,059 мГн. (snzmomentum.ru)

Для еще большего тока:

ДТС-0,047/630 У2

имеет:

• ПЧ — 315 кВт;

• ток — 630 А;

• индуктивность — 0,047 мГн. (snzmomentum.ru)

Это не означает, что для мощного ПЧ требуется «слабый» дроссель.

При росте тока для получения того же процентного падения напряжения необходима меньшая индуктивность.

То есть выбирать устройство по принципу:

«больше миллигенри — лучше»

нельзя.

Что означает маркировка ДТС

Например:

ДТС-0,059/500 У2

можно прочитать так:

• ДТС — трехфазный сетевой дроссель;

• 0,059 — индуктивность, мГн;

• 500 — номинальный ток, А;

• У2 — климатическое исполнение и категория размещения.

Для этой модели СЗСЭМ указывает напряжение 400 В, частоту 50 Гц и мощность ПЧ порядка 280 кВт. (snzmomentum.ru)

Такая маркировка удобна тем, что основные параметры изделия видны непосредственно из обозначения.

Нужно ли ставить дроссель, если он уже есть внутри ПЧ

Сначала следует проверить техническую документацию преобразователя.

У некоторых моделей входная или DC-индуктивность уже входит в конструкцию.

Danfoss, например, указывает, что в ряде приводов VLT DC-дроссель встроен в устройство и обеспечивает эффект, сопоставимый с внешним сетевым дросселем около 4%. (danfoss.com)

В таком случае дополнительный внешний ДТС может оказаться:

• ненужным;

• полезным только для защиты от сетевых переходных процессов;

• необходимым при особых условиях сети.

Решение принимается по документации ПЧ и характеристикам питающей системы.

Сетевой дроссель и DC-дроссель — в чем разница

Оба способны уменьшать гармонический ток, но находятся в разных местах.

Сетевой AC-дроссель

Устанавливается:

сеть → дроссель → выпрямитель ПЧ

Преимущество — дополнительно защищает входной выпрямитель от сетевых переходных процессов.

DC-дроссель

Устанавливается в звене постоянного тока:

выпрямитель → DC-дроссель → конденсаторы / инвертор

Danfoss отмечает, что с точки зрения снижения гармоник оба варианта способны давать похожий эффект, а DC-дроссель обычно получается компактнее. Внешний сетевой дроссель при этом обеспечивает дополнительную защиту от сетевых переходных процессов. (danfoss.com)

Сетевой и моторный дроссель — не одно и то же

Еще одна частая ошибка — использовать один тип вместо другого.

Сетевой дроссель

Схема:

сеть → ДТС → ПЧ

Работает с входным током преобразователя.

Моторный дроссель

Схема:

ПЧ → ДТМ → электродвигатель

Работает с выходным ШИМ-напряжением и моторным кабелем.

Устройства находятся на разных сторонах ПЧ и рассчитаны на разные электрические процессы.

СЗСЭМ выпускает их отдельными сериями — ДТС для входной стороны и ДТМ для выходной. (snzmomentum.ru)

Сетевой дроссель не заменяет EMC/EMI-фильтр

Дроссель помогает уменьшить относительно низкочастотные гармонические составляющие и токовые броски.

Но преобразователь частоты создает также высокочастотные электромагнитные помехи.

Для них нужен другой тип оборудования.

СЗСЭМ рекомендует для защиты питающей сети от кондуктивных помех ШИМ-инвертора в диапазоне приблизительно 150 кГц–30 МГц использовать совместно с сетевыми дросселями трехфазные EMC/EMI-фильтры. (snzmomentum.ru)

Поэтому:

сетевой ДТС ≠ EMC-фильтр.

Устройства могут применяться совместно.

Дроссель также не является полноценным фильтром гармоник

Сетевой дроссель способен существенно улучшить форму входного тока.

Но если проект требует, например:

THDi < 10%

или:

THDi < 5%,

одного обычного реактора, как правило, недостаточно.

Danfoss прямо отмечает, что для достижения таких низких уровней применяются специализированные пассивные фильтры, активные фильтры или другие low-harmonic решения. (danfoss.com)

Таким образом:

сетевой дроссель — простое средство уменьшения гармоник и защиты ПЧ;

пассивный фильтр гармоник — более глубокая фильтрация;

активный фильтр / AFE — еще один класс решений для жестких требований к качеству электроэнергии.

Какие ошибки чаще всего допускают при выборе

Выбирают по мощности двигателя

Сетевой дроссель работает с входом ПЧ.

Поэтому в первую очередь необходимо знать характеристики самого преобразователя.

Не проверяют входной ток

Мощность — только ориентир. Номинальный ток выбранного ДТС должен соответствовать реальному входному току ПЧ.

Считают 4% всегда лучшим вариантом

Большая индуктивность дает более выраженное ограничение тока, но увеличивает падение напряжения.

Выбирают максимальную индуктивность

Значение L связано с током. Для мощных приводов необходимая индуктивность может составлять сотые доли миллигенри.

Не проверяют встроенный дроссель ПЧ

В некоторых преобразователях необходимые AC/DC-индуктивности уже имеются.

Путают сетевой и выходной дроссель

ДТС устанавливается только на входной стороне ПЧ.

Ожидают от ДТС полное устранение гармоник

Для жестких требований к THDi нужен специализированный фильтр.

Практический алгоритм подбора ДТС

Для предварительного выбора сетевого дросселя можно использовать следующий порядок.

1. Узнать модель преобразователя

Например:

ПЧ 90 кВт.

2. Проверить входное напряжение

Например:

3 × 400 В, 50 Гц.

3. Найти входной номинальный ток

Берется из технической документации ПЧ.

4. Проверить наличие встроенного AC/DC-дросселя

Если он уже есть, необходимо определить, нужен ли дополнительный внешний реактор.

5. Выбрать Uk

Например:

2%

или:

4%.

6. Найти модель ДТС по току

Номинал дросселя не должен быть ниже требуемого длительного тока.

7. Проверить индуктивность

Для стандартного изделия она уже рассчитана производителем под заданный ток, напряжение и Uk.

8. Проверить перегрузочный режим

Особенно если преобразователь работает с механизмом тяжелого режима.

9. Проверить конструктив

Для мощных моделей важны:

• тип подключения;

• кабельные клеммы или шины;

• размеры;

• масса;

• место монтажа;

• охлаждение.

СЗСЭМ предусматривает возможность изготовления сетевых дросселей с параметрами и вариантами выводов, отличными от стандартных табличных исполнений. (snzmomentum.ru)

Какие данные нужны для точного подбора

Чтобы подобрать сетевой дроссель для частотного преобразователя, желательно подготовить:

1. Производителя ПЧ.

2. Точную модель преобразователя.

3. Номинальную мощность.

4. Напряжение сети.

5. Частоту сети.

6. Номинальный входной ток.

7. Максимальный рабочий ток.

8. Наличие встроенного AC- или DC-дросселя.

9. Требуемое Uk — 2%, 4% или другое.

10. Мощность питающего трансформатора.

11. Наличие других мощных ПЧ на общей шине.

12. Наличие УКРМ.

13. Условия эксплуатации.

14. Требования к подключению и габаритам.

Если преобразователь уже выбран, именно его паспортные характеристики должны быть исходной точкой для расчета.

Нужно ли устанавливать сетевой дроссель на каждый преобразователь частоты

Универсального правила нет.

Внешний дроссель особенно оправдан, если:

• его рекомендует производитель ПЧ;

• преобразователь не имеет достаточной встроенной индуктивности;

• источник питания очень мощный;

• сеть подвержена переходным процессам;

• имеется большое количество нелинейных нагрузок;

• требуется уменьшить гармонические токи;

• несколько ПЧ подключены к одной шине.

Если ПЧ уже имеет эффективный встроенный DC-дроссель и работает от нормальной промышленной сети, дополнительный ДТС может не дать большого эффекта по гармоникам.

Но он все равно может использоваться как дополнительная защита входа преобразователя, если этого требуют условия объекта.

Итог

Сетевой дроссель для частотного преобразователя устанавливается между питающей сетью и входом ПЧ:

сеть → сетевой ДТС → преобразователь частоты → электродвигатель.

Его основные задачи:

• ограничить пиковый входной ток;

• уменьшить влияние высших гармоник;

• защитить вход ПЧ от сетевых импульсов;

• снизить нагрузку на выпрямитель;

• улучшить условия работы конденсаторов звена постоянного тока.

СЗСЭМ выпускает для этой задачи трехфазные сетевые дроссели серии ДТС на 400 и 690 В, в том числе исполнения 2% и 4%, для комплектации преобразователей частоты разных производителей. (snzmomentum.ru)

При подборе нельзя ориентироваться только на мощность двигателя или ПЧ. Правильная последовательность выглядит так:

напряжение → мощность ПЧ → входной ток → наличие встроенного дросселя → требуемое Uk → индуктивность → условия эксплуатации.

ДТС 2% создает меньшее дополнительное падение напряжения и обеспечивает базовое ограничение токовых бросков. ДТС 4% имеет большую индуктивность и сильнее воздействует на гармонический и импульсный входной ток.

Если задача состоит в защите преобразователя и умеренном снижении гармоник, сетевой дроссель является одним из наиболее простых и надежных решений. Если же проект требует очень низкого THDi, одного дросселя может быть недостаточно — в таком случае рассматриваются специализированные фильтры гармоник или другие low-harmonic решения.